EP1691949B1 - Orbitalschweissvorrichtung für den rohrleitungsbau - Google Patents

Orbitalschweissvorrichtung für den rohrleitungsbau Download PDF

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EP1691949B1
EP1691949B1 EP04803734A EP04803734A EP1691949B1 EP 1691949 B1 EP1691949 B1 EP 1691949B1 EP 04803734 A EP04803734 A EP 04803734A EP 04803734 A EP04803734 A EP 04803734A EP 1691949 B1 EP1691949 B1 EP 1691949B1
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EP
European Patent Office
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orbital
welding
laser
laser beam
carriage
Prior art date
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EP04803734A
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EP1691949A1 (de
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Eginhard Werner Vietz
Frank Vollertsen
Harald Kohn
Claus Thomy
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Vietz GmbH
Original Assignee
Vietz GmbH
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    • B23K37/02—Carriages for supporting the welding or cutting element
    • B23K37/0294—Transport carriages or vehicles

Definitions

  • the invention relates to an orbital welding device for mobile use in pipeline construction according to the features of the preamble of claim 1.
  • FR 2812227A1 discloses such an orbital welding device.
  • orbital welding devices Devices for welding pipes along the tube circumference have long been known and are referred to as orbital welding devices.
  • the mobile orbital welding processes have largely replaced the previously used socket connection and screw connection technique.
  • most industrial welding equipment operates stationary in an industrial environment shielded from environmental influences, or at least carries out welding work on a stationary product
  • the means of production at pipelines' pipeline construction sites, such as pipeline construction move along the finished product and are subject to all the influences of changing environments and exposed to different weather conditions.
  • MAG stands for the known from the prior art Metallgentgasschweissen, in which an arc between a consumable and substantially continuously supplied wire electrode and the workpiece within a protective gas shell of, for example, CO 2 or mixed gas of CO 2 inert gas, such as argon, and possibly also O 2 burns off.
  • a protective gas shell of, for example, CO 2 or mixed gas of CO 2 inert gas, such as argon, and possibly also O 2 burns off.
  • the tubes are centered and fixed without pretreatment with an air gap of 1.5 mm to 3 mm distance by means of a pneumatic Congresszentri für 10.1.
  • the root is welded manually from top to bottom with a cellulosic or basic electrode or with a MAG welder with metal powder wire of 1.0 mm.
  • a tightening strap is locked around the pipe near the joint, where all intermediate layers and the cover layers are welded from bottom to top with a pair of MAG orbital welding heads, each of which has a MAG torch.
  • a protective gas of CO 2 and argon is used for the welding process.
  • the first welder starts in the 6 o'clock position and welds all filling and cover layers to the 12 o'clock position, oscillating with dwell times left and right.
  • the second welder also starts at position 6 with a time delay Watch and weld to position 1 o'clock to get an overlap of the weld.
  • This variant can be used for the laying of district heating pipes in tunnel construction, water pipes in tunnel construction, but also for gas reservoirs of larger dimensions, eg diameter 2,500 mm, but especially for wall thicknesses between 15 mm and 30 mm.
  • the melting rate is 3.1 kg per hour.
  • This variant is twice as fast compared to gravity-sealed seam welding with cellulose electrodes at 1.7 kg per hour.
  • the second established variant which is much faster than the first variant, requires higher investment costs.
  • the joint shape corresponds to a tulip with a bar of approx. 2 mm with a small opening angle, whereby little additional material is required because of the small seam volume.
  • the purpose of the copper jaws is to support the liquid weld material to achieve a hundred percent root, in which both pipe inner edges are welded together and a root sag of a maximum of 1 mm is guaranteed.
  • the pipe is centered by means of the pneumatic internal centering with copper jaws.
  • a tension band is mounted on one of the tube ends, on which two MAG orbital welding heads are guided, which weld the root from 12 o'clock to 6 o'clock.
  • the pipe ends are centered without air gap, so that starting at 12 o'clock the first MAG orbital welding head melts the web with a high power output and the liquid welding material is supported by the copper jaws.
  • the second MAG orbital welding head also starts at 12 o'clock when the first MAG orbital welding head has reached the 2 o'clock position.
  • a constant power supply for the inverter or rectifier takes place that the welding parameters do not change during the connection of the second MAG orbital welding head.
  • This is ensured in particular by means of a hydraulic generator drive, which is located on the transport vehicle which is moved longitudinally relative to the pipeline and which reacts in the millisecond range in order to maintain the stability of the arc.
  • the welding current sources for the different welding positions - horizontal, falling and overhead - in such a way that, according to the position of a MAG orbital welding head, an adjustment of the current and the adaptation of the wire feed speed are carried out.
  • the adjustment is fully automatic, semi-automatic or manual.
  • the two MAG orbital welding heads weld the seam from top to bottom according to the same criteria. After completion of the second layer, the MAG orbital welding heads are removed from the strap and transported to the next welding shock. A subsequent MAG orbital welding head pair non-pendulum welding several filling layers also from top to bottom.
  • an internal MAG orbital welding head is needed to weld the root from the inside.
  • Four MAG welding torches weld - starting from 12 o'clock to 6 o'clock - the root overlapping one half of the pipe and four MAG welding torches from top to bottom of the other half of the pipe.
  • Welding the root on a 1,200 mm pipe takes about 3 minutes.
  • the welding of the fill and cover layers takes place as in the second variant with solid wire from top to bottom.
  • the regulation takes place automatically, depending on the qualification level of the operating personnel, manually, semi-automatically or in the case of programmable current sources.
  • the deposition rate in this process is usually 5.9 kg per hour, making this process the fastest but also the most expensive orbital welding process compared to the previous ones.
  • a fourth variant provides for the equipment of a MAG orbital welding head with two MAG torches slightly offset by the circumference of the tube and two or four wires.
  • the welding speed increases approximately 100% when welding with two MAG burners, or around 400% when welding with two MAG burners and four wires.
  • This technology is especially suitable for pipes whose Diameter is greater than 1,000 mm and whose wall thickness is at least 20 mm.
  • the weld seam preparation must be adjusted accordingly.
  • a total of eight welding power sources which are arranged for example on the transport vehicle, required to operate two guided on a strap as described above MAG orbital welding heads, each with four wires.
  • the power sources communicate with each other and pulse synchronously. This is possible, for example, with a special multi-inverter.
  • the welding process takes place under a suitable welding team.
  • the welding tent is designed in such a way that no draft can enter the tent during the welding process.
  • the doors of the welding tents are secured in such a way that no external access from the outside is possible during the welding work.
  • the welding tents are air-conditioned without draft.
  • the weld quality depends to a large extent on the design of the welder's tent. All four variants of the MAG orbital welding described above are technically mature, but require that all basic conditions are met in order to produce first-class welds.
  • MAG orbital welding has reached its limits due to high repair rates, downtime due to the effects of the weather, and impaired weld quality by the operating personnel.
  • the operators of the MAG orbital welding heads must be highly qualified not only in the welding technology sector but also in the electronic sector.
  • Welding parameters that automatically influence the welding process in the different welding positions have the disadvantage that changes from the outside - in particular splashes, which can occur uncontrolled during welding, or even influences from the atmosphere - require that the welder immediately intervenes in the automated process and manipulated the welding process to minimize the errors.
  • Welding the root with internal MAG orbital welding heads is very fast, but also very costly. In addition, the root layer is often fraught with very many welding defects.
  • a proven welding process in stationary use is laser beam welding.
  • High-intensity CO 2 gas lasers, Nd: YAG solid-state lasers, disk lasers and diode lasers are currently used as laser beam sources in laser beam welding.
  • As a high-power laser is a laser beam source with a beam power of at least 1 kW to understand.
  • CO 2 lasers emit laser light with a wavelength of 10.6 ⁇ m and, in material processing, have beam powers of a few hundred watts to over 40 kW with an efficiency of approximately 10%.
  • the beam guide has at such CO 2 laser via relatively complex mirror optics to take place, since a beam guidance over a flexible optical waveguide due to the wavelength of the emitted laser light is not possible.
  • the laser light emitted by an Nd: YAG laser has a wavelength of 1.064 ⁇ m, whereas industrially available, lamp-pumped material processing systems have a beam power of about 10 W to more than 6 kW in continuous wave mode.
  • diode arrays for excitation instead of arc lamps, however, with a significantly higher investment cost, it is possible to increase the efficiency of 3% for a lamp-pumped system up to approximately 10%.
  • a beam generated by an Nd: YAG laser in contrast to the CO 2 laser beam, can be guided via optical waveguides, in particular a fiber optic cable, which enables a considerably more flexible setup of the beam source and handling of the Nd: YAG laser beam.
  • a recent development in the field of solid-state lasers is the disk laser.
  • the light of this laser can be guided like fibers of the Nd: YAG laser.
  • the advantage of this laser is in particular the high efficiency in the range of 20%.
  • its beam power is currently limited to up to 4 kW.
  • the wavelength of diode lasers is between 0.78 and 0.94 ⁇ m, with beam efficiencies of up to 4 kW currently being fiber-coupled or 6 kW directly radiating industrially available at an efficiency of 35 to 50%.
  • CO 2 lasers have been used in practice only in the stationary area or in the off-shore area on ships, wherein either the pipes to be joined are rotated with the laser beam source stationary relative to the stationary laser beam or the entire laser beam source is pivoted by means of a stable device around the upright stationary pipe.
  • Such devices for example, the US 4,591,294 in which an orbital welding device with two CO 2 lasers is described, which are arranged on a rotatable platform and can be pivoted in each case by 180 ° about a vertical, to be lowered by a ship into the sea pipeline section, that a peripheral weld seam can be produced.
  • a mirror system by means of which a parallel to the tube axis outside the tube guided laser beam via five mirrors, which in a Wegschenkligen and repeatedly adjustable steel guide tube system are arranged, can be performed around a circumferential joint of two pipe ends, is from the Russian patent application RU 2 229 367 C2 known.
  • the US 4,533,814 shows a similar system in which a laser beam pointing perpendicularly to the tube axis can be passed around a tube of relatively small diameter via a steel guide tube system comprising three joints and several mirrors.
  • Nd: YAG laser would be suitable because of the suitability of the emitted laser beam for beam guidance over a flexible optical fiber for guiding the beam around a pipe of large diameter, but proves this laser source, as well as the CO 2 laser, unsuitable for the mobile field use. Because of the low efficiency of a Nd: YAG laser compared to other industrial lasers, the power supply and the space required by the laser and its additional components, in particular the cooler, pose a hitherto unsolved problem for use in mobile orbital welding of pipelines. YAG laser is also relatively high.
  • the beam power of the disk laser is currently limited to a maximum of 4 kW, which is considered insufficient in view of the steel properties of a disk laser for orbital welding of thick-walled pipes.
  • the disk laser is currently due to its difficult to adjust structure and its extremely high sensitivity to vibration at the moment as a mobile beam source, which is inevitably exposed to vibrations under field conditions suitable.
  • the diode laser In contrast to high-performance CO 2 lasers, Nd: YAG lasers and disc lasers, the energy and space requirements as well as constructive design and weight only with very large Restrictions can be operated as mobile systems, the diode laser is a relatively mobile, compact and lightweight laser beam sources with good efficiency. However, the diode laser due to its principle lower beam intensity and beam power usually under normal conditions does not allow deep welding, so that the welding of thicker walled tubes only in multi-layer technology would be possible.
  • the US 5,796,068 and US 5,796,069 describe a laser external peripheral welding device for pipeline construction.
  • the device comprises at least one annular guide rail fixed to a pipe of the pipeline outside, a welding carriage guided on the same and movable around the pipe, a laser beam source mounted on the welding carriage for generating a laser beam, which may be blunted over deflection means Fugue formed against each other abutting pipe ends, and a likewise mounted on the welding carriage feed unit for orbital moving the welding carriage to the pipe, so that the laser beam along the joint of the abutting pipe end for joining the selbigen is guided by means of an outer circumferential weld seam.
  • a solid or gas laser suitable in terms of size and weight has much too low a blasting power in order to achieve a welding speed which corresponds at least to that of arc welding.
  • a diode laser would indeed be suitable in terms of its size for direct mounting on the trolley, but it allows due to its inherent low Beam intensity No deep welding of thick-walled pipes without the use of multi-layer technology.
  • the device is designed as a vehicle which can be moved by means of a drive inside the tube along the tube axis and thus can be positioned in the region of the joint formed by the butt ends that abut one another.
  • an integrated internal centering unit which has two pneumatic clamping devices acting radially on the inner surface of a tube, the two tubes can be aligned exactly with one another in a known manner.
  • At least one laser beam emitted by a laser beam source mounted on the tubular vehicle is guided via light-conducting means along the joint for joining the two pipe ends by means of an inner circumferential weld seam. Furthermore, a method is described in which first a welding position is welded from the inside with arc and then a welding position from outside with a laser.
  • WO 92/03249 discloses an apparatus for laser welding a tube along its inner circumference with a probe insertable into the tube. Means are arranged within the probe, with which a part of a protective gas stream which propagates in its interior is branched off before reaching an outlet opening for a focused and deflected laser beam, in particular from a spaced Nd: YAG laser, by means of an optical waveguide and with a directed towards the outlet opening Flow component led to the outer surface of the probe becomes. As a result, a precipitate of welding material in the region of the outlet opening and inside the probe is reduced.
  • a laser welding device for producing an elongated, tubular and gas-tight, in particular with the insulating gas SF 6 to be filled Erdungszylindergephaseuses from a plurality of short, interconnected via an outer circumferential weld cylinder segments for an electrical component, such as a circuit breaker or load disconnector, presented.
  • the laser welding apparatus comprises a ring frame which can be connected by means of two, the two. Cylinder segments are each arranged close to the cylinder ends tightly surrounding tension bands around the peripheral joint.
  • both clamping bands connected to one another via the ring frame is adjustable via a multiplicity of longitudinal adjusting screws and both clamping bands can be axially aligned relative to the cylinder segments via a plurality of radial clamping screws distributed along the circumference, it is possible to align the two cylinder segments with respect to one another.
  • a ring rail along which a laser welding tool is guided, which is mounted on the ring frame mounted, in a arranged on the laser welding tool sprocket electric motor around the circumferential joint movable.
  • the laser welding tool comprises a focusing optics for focusing a laser beam on the peripheral joint, detectors for detecting the position of the peripheral joint and two drives for fine alignment of the focusing optics on the peripheral joint in the radial and axial directions.
  • the laser beam is generated by means of a laser beam source placed in the vicinity of the ring frame and guided via a fiber optic cable to the focusing optics.
  • the fiber optic cable is inside the ring frame via a spiral rail around the two tubes wound that when moving the laser welding tool to the entire pipe circumference overstretching or other damage to the fiber cable is to be prevented.
  • a CO 2 laser is specified despite the glass fiber used.
  • the in the US 5,601,735 described welding device is designed for the stationary use joining of relatively short cylindrical segments of small diameter, small wall thickness and relatively light weight, as is the case in generic earthing housings for circuit breaker or switch disconnector designed. Since the production of such products always takes place stationary, the question of mobile operation of the disclosed device does not arise generically, which is why corresponding measures are not described.
  • the use of such a welding method for welding long pipes of large diameter to over 1500 mm and wall thicknesses up to about 25 mm, for example, pipelines, with high welding speed is not possible by means of the described welding device, which is designed only for low laser powers.
  • the guidance of the laser beam of a CO 2 laser source by means of a fiber optic cable, as in US 5,601,735 described, is not possible when using a high-power CO 2 laser source with more than 1 kW beam power.
  • FR 2 812 227 A1 An orbital welding apparatus is known in which on an orbital carriage, a welding head on the outside of the circumference of the tube is circumferentially movable to produce a circumferential weld with a laser welding head. Via connecting lines, the welding head is connected to a vehicle which can be moved alongside the pipeline, on which a laser beam source and a power supply are arranged. The laser beam is transmitted to the welding head via optical fibers within the connecting line.
  • the laser welding is performed for the abutting surfaces of the pipe ends below the bottom of the U.
  • the filling of the U-shaped weld joint is then carried out using a conventional welding process.
  • optical sensors for example in the form of a camera may be provided.
  • a solid-state Nd: YAG laser is also considered in the form of a disk laser.
  • Nd YAG lasers can also be used for deepwater pipelines, the laser radiation of which can be transported with optical fiber cables.
  • any hybrid processes that combine laser welding with conventional arc welding for the foreseeable future it will not be considered advantageous over the conventional inert gas welding process.
  • the invention is therefore based on the object, an apparatus for orbital welding of pipes by means of a peripheral weld having only one or as few layers, in particular for orbital welding of horizontally laid on land pipelines in mobile use under field conditions to provide, with the higher Welding speeds than MAG orbital welding, a increased process reliability and a high weld quality can be achieved.
  • the inventive orbital welding device is for mobile use for connecting a first pipe end and a second pipe end along a peripheral joint by means of at least one weld, in particular for the production of a horizontally laid on land pipeline, but also for stationary use or offshore use at sea Non-horizontal pipe orientation suitable.
  • tubes which are made of a fusion-weldable material, in particular a metallic material, preferably a steel material, eg X70, X80, X90, X100 or high-alloy stainless steel, and a diameter of 50 mm to more than 4,000 mm and have a wall thickness of 2.5 mm to over 25 mm, to connect within a short time with only one orbital circulation.
  • the tube segments to be connected in the preferred applications have a diameter of over 500 mm, in particular over 800 mm, especially over 1,000 mm, a wall thickness of about 5 mm, especially over 10 mm, and a length which is substantially greater than the diameter of the tube. Due to its suitability for mobile and self-sufficient use, the device according to the invention can also be used for the production of pipelines to be laid horizontally on land in an environment in which only a bad or no Infrastructure in the form of a fixed electricity, water or gas supply is available to be used.
  • the orbital welding apparatus includes a guide ring alignable with the pipe end of a first pipe, hereinafter referred to as the first pipe end, and the circumferential joint.
  • the circumferential gap is defined as the gap or zero gap between the front sides of the first pipe end and the pipe end of a second pipe of the same cross section, hereinafter referred to as the second pipe end, or as the pipe joint, wherein the first pipe and the second pipe are aligned with each other such that the circumferential joint has a substantially constant gap distance of at most 1 mm, preferably less than 0.3 mm, particularly preferably technical zero gap, and both tubes are centered relative to one another without substantial offset.
  • the two tubes preferably have a circular, but alternatively an ellipsoidal or other cross-section and are in particular straight, curved or angled executed.
  • Devices for centering tubes from the inside and / or outside and for setting a defined gap distance of the peripheral joint are known from the prior art in different embodiments.
  • the pipe ends are processed in particular with the aid of a known Fasing device such that the peripheral joint has the shape of a 1-seam, a Y-seam, V-seam or Tulpennaht. Alternatively, the edges are laser cut.
  • the guide ring is preferably aligned parallel to the peripheral joint at a constant distance to the outer surface or inner surface of the first pipe end. The alignment takes place for example via a plurality along the guide ring circumference arranged clamping screws, by means of which the distance of the guide ring from the pipe surface is precisely adjustable.
  • the guide ring serves to guide an orbital carriage arranged thereon, which is orbitally displaceably guided either along the entire outer or inner circumference of the first pipe end or at least along a partial section of the circumference.
  • the orbital car can be moved by a motor along a feed device along the guide ring.
  • a laser welding head for guiding and shaping a laser beam is arranged on the orbital carriage.
  • the laser welding head can be aligned in such a way on the circumferential joint, the laser beam focused by means of one of the laser welding head on the peripheral joint or on a close to the peripheral joint point, optionally with the supply of inert or active process gases or mixtures thereof, the material of the two pipe ends within which can be melted in the following as a laser welding zone thermal influence zone of the laser beam and by displacing the orbital carriage along the guide ring, optionally with the supply of a filler material in the form of a wire, a weld along the peripheral joint can be produced.
  • means for bath support or formation are provided, in particular copper jaws on the opposite side or a supply device for the root-side supply of forming gas.
  • the generation of the laser beam is carried out according to the invention via at least one mobile high-power fiber laser beam source, which is spaced from the laser welding head - in particular vibration-damped on a longitudinally to the tube axis outside the tube movable transport vehicle.
  • the laser beam generated by the fiber laser is guided via an optical waveguide, preferably a flexible fiber optic cable, from the high-power fiber laser beam source to the laser welding head. It is possible to have one Use optical fibers with a length of 30 m to over 200 m, so that the transport vehicle with the high-power fiber laser beam source can be positioned far away from the laser welding head.
  • a high-power fiber laser beam source in the context of the invention is a solid-state laser beam source with a field-dependent beam power of over 1 kW, in particular over 3 kW, preferably over 5 kW, particularly preferably over 7 kW to understand their laser-active medium is formed by a fiber .
  • the particular yttrium-aluminum garnet fiber is usually doped with ytterbium or other rare earths.
  • the ends and / or the lateral surface of the glass fiber are optically pumped by means of diodes, for example.
  • the wavelength of a typical high power fiber laser beam source is about 1.07 ⁇ m, with beam efficiencies of more than 20% being theoretically available to over 100 kW at an efficiency of more than 20%.
  • the efficiency of a high power fiber laser beam source is significantly higher than that of an Nd: YAG laser or a CO 2 laser.
  • the maximum achievable beam power is currently much higher than that of the Nd: YAG laser or the diode laser.
  • the beam intensity exceeds that of the diode laser, so that deep welding is possible.
  • a high power fiber laser beam source is relatively insensitive to vibration.
  • a laser beam generated by a high-power fiber laser beam source unlike the CO 2 laser via a flexible fiber optic cable over distances up to over 200 meters.
  • the high-power fiber laser beam source allows both the generation of continuous laser radiation in the so-called cw-operation, as well as the generation of pulsed laser radiation with pulse frequencies up to about 20 kHz and arbitrary pulse shapes.
  • the high available beam power and the excellent beam quality which enables deep welding compared to the diode laser, the capability of optical fiber beam guidance low vibration sensitivity and the small size compared to the Nd: YAG laser and CO 2 laser of a high-power fiber laser beam source, a mobile and autonomous use on a transport vehicle is possible.
  • a process parameter control is realized, in which the orbital position detection sensor is connected via a control computer so that welding parameters can be automatically adjusted as a function of the orbital position of the orbital carriage.
  • Welding parameters are laser radiation parameters and feed rate of the orbital carriage, in combination with an arc welding device also MSG arc parameters.
  • a significant advantage of the invention is that by means of only one orbital circulation and preferably a single welding operation within a short time the joining of two pipe ends is possible.
  • the horizontal laying of pipelines under field conditions during MAG orbital welding so far Economic reasons existing need for the use of a variety along the pipeline at several joints working, different welding welding stations welding eliminates, since the complete connection of two pipe segments is possible by means of a single welding station.
  • the personnel costs are much lower than in the previously known methods.
  • the weld seam quality and the process reliability surpass those of the previously known MAG orbital welding devices.
  • a MSG arc welding head which can be oriented in particular by a motor, in particular relative to the orbital carriage, is arranged on the orbital carriage, directly or indirectly.
  • a MSG arc welding head is generally a metal inert gas welding head to understand in which an arc between a wire electrode which is continuously fed via a wire feed, and the workpiece is burned and is enveloped by a protective gas jacket.
  • the MSG arc welding head is on the orbital car either mounted directly or indirectly, for example on the laser welding head, and in particular adjustable relative to the orbital carriage in several directions. It is possible to arrange the MSG arc welding head such that either the laser beam and the MSG arc act together in the laser welding zone, or the laser beam and the MSG arc act in separate process zones.
  • FIGS. 1 . 2 and 3 show the FIGS. 1 . 2 and 3 in different layers and levels of detail.
  • Fig. 1 A first pipe end 1 and a second pipe end 2 of a horizontally landfilled pipeline 5 are by means of a known, not shown mecaniczentriervoriques, at least one tubular crane (not shown) and pipe supports 45 such aligned and centered that between the first pipe end 1 and the second pipe end 2 a circumferential joint 3 with a defined gap distance of less than 0.3 mm and without edge offset is present.
  • a guide ring 6 is arranged in the form of a clamping band with a guide rail parallel to the peripheral joint 3 and at a constant distance from the outer surface 14 of the first pipe end 1.
  • the guide ring 6 there is an orbital carriage 7, which is guided around the first pipe end 1, as symbolized by the arrow 51, along the guide ring 6 so that it can be displaced by a motor.
  • a laser welding head 12 is mounted, which is aligned on the circumferential joint 3, that by directing a laser beam 10 focused by the laser welding head 12 in a laser welding zone 13 and orbitalem motorized displacement of the orbital carriage 7, a weld 4, here an outer weld 4, along the peripheral joint 3 can be produced.
  • the height of the pipe support 45 is chosen such that a different of the orbital carriage 7 is possible by 360 ° around the first pipe end.
  • the laser beam 10 is generated by a high-power fiber laser beam source 9, which is of the Orbitalwagen 7 spaced on a transport vehicle 35 is housed vibration damped.
  • the generated laser steel 10 is connected via a flexible optical waveguide 11 (see Fig. 2 ), which is guided in a hose package 50, which is guided via a crane 46 of the transport vehicle 35 to the orbital carriage 7, from the high-power fiber laser beam source 9 to the laser welding head 12.
  • the hose package 50 is tracked over the crane 46 in such a way, as symbolized by the arrow 52, that the orbital carriage 7 can be moved unhindered.
  • the crane 46 can also be used for mounting the guide ring 6 and the orbital carriage and for holding a shielding device (not shown) which shields the welding point from the environment and vice versa, on the one hand to protect the operating personnel from dangerous reflections of the laser beam, and on the other hand to drafts Keep moisture and contaminants away from the weld.
  • a generator 36 is also arranged at least for generating the power required for operating the high-power fiber laser beam source 9 and a cooling system 37 at least for cooling the high-power fiber laser beam source 9.
  • Fig. 2 shows the displaceably mounted on the guide ring 6 orbital carriage 7 Fig. 1 in a simplified detail view across the tube axis.
  • a feed device 8 is arranged, which engages in the guide ring 6 such that the orbital carriage 7 orbital at a defined feed rate to the first pipe end and the peripheral joint 3, which is formed by a V-shaped shock with a very small opening angle electromotive can be moved.
  • an orbital position detection sensor 18 is mounted on the orbital carriage 7, which is designed, for example, as an electronic angle encoder.
  • the laser welding head 12 is mounted on the orbital carriage 7 via adjusting means 16 by means of which the laser beam 10 can be aligned relative to the circumferential joint 3 by adjusting the entire laser welding head 12 relative to the orbital carriage 7.
  • the example servomotor adjustment 16 allow, according to the arrows 53, both an adjustment of the laser welding head 12 perpendicular to the pipe so that, for example, the focus position can be adjusted, as well as an adjustment parallel to the tube axis for exact alignment of the laser beam 10 on the peripheral joint.
  • the adjusting means 16 such that the laser welding head 12 is adjustable in further degrees of freedom or the laser beam 10 is complementary or exclusively by optical means, for example via a focusing or deflection of the laser welding head adjustable.
  • the guided in the hose package 50 to the orbital carriage 7 optical fiber 11 directs the laser beam 10 emitted from the high-power fiber laser beam source 9 to the laser welding head 12, which focuses the laser beam 10 on the peripheral joint 3 or to a point near the peripheral joint 3, so that the material of the first Pipe end 1 and the second pipe end 2 within a thermal zone of influence of the laser beam 10, the laser welding zone 13 melts and a weld 4 is formed.
  • the hose package 50 is accommodated a cooling / heating circulation line 47 with flow and return, all cooling or heating parts of the laser welding head 12 or other parts arranged on the orbital carriage 7 with cooling and cooling. or heating fluid supplied by the cooling system 37 located on the trolley.
  • a communication line 49 in the hose package 50 in the form of a cable provides in particular power to the feed unit 8 and allows the communication of all orbital cars 7 directly or indirectly arranged sensors and actuators with a control computer 44, which is located on the transport vehicle 35 and controls the entire welding process and monitored.
  • a process gas nozzle 20 for supplying process gas into the region of the laser welding zone 13 is mounted on the laser welding head 12 indirectly.
  • Suitable process gases are in particular inert and active gases, such as, for example, preferably argon, helium, N 2 , CO 2 or O 2 in a suitable mixing ratio.
  • a wire nozzle 23 for supplying a wire 24 is mounted in the laser welding zone 13.
  • the wire 24 is fed from a wire feed unit 26 accommodated on the transport vehicle 35 via a wire feed line 25 which reaches the orbital carriage 7 via the hose package 50.
  • a wire heating unit 27 is arranged immediately in front of the wire nozzle 23, which heats the wire 24 inductively, for example.
  • a hot unwired wire may preferably be supplied as an alternative. In the embodiment shown, the wire 24 is supplied sluggishly.
  • a piercing or lateral wire feed can be realized.
  • the process gas supply can take place coaxially to the laser beam or via the wire nozzle 23.
  • the process gas nozzle 20 and the wire nozzle 23 are alternatively mounted directly on the orbital carriage 7 and can be aligned relative thereto in at least one degree of freedom.
  • a second embodiment of an orbital welding apparatus shows Fig. 4 in an overview oblique view of the entire device and Fig. 5 in a detail view parallel to the tube axis on the orbital car.
  • the following are the FIGS. 4 and 5 described together, with only the differences from the first embodiment discussed, which is why reference is hereby made to the above-described reference characters.
  • a well-known from the prior art metal arc gas welding head 28 is used.
  • the MSG arc welding head 28 is disposed indirectly on the orbital carriage 7 by being mounted on the laser welding head 12.
  • the MSG arc welding head 28 is relative to Laser welding head 12 and thus relative to the orbital carriage 7 in multiple degrees of freedom motor aligned, as symbolized by the arrows 54.
  • a freely programmable MSG power source 32, an MSG process gas storage 33 and a MSG wire feed unit 34 are arranged on the transport vehicle 35, which are connected via a MSG power line 29, an MSG process gas line 30 and an MSG Wire feed line 31 with the MSG arc welding head 28 for MSG arcing or for MSG process gas supply or for MSG wire supply are in communication.
  • the lines 28, 29, 30 are guided via the hose package 50 to the orbital carriage 7.
  • a ground line 55 connects the first pipe end 1 and the second pipe end 2 to the MSG power source 32.
  • the MSG arc welding head 28 is aligned such that the laser beam 10 and the MIG arc in the laser welding zone 13 act in concert. Alternatively, however, it is possible to align the MSG arc welding head 28 such that the laser beam 10 and the MSG arc operate in separate process zones, with the laser beam 10 preferably preceding the MSG arc. Alternatively, it is also possible to align the laser beam 10 trailing relative to the MSG arc. Combining laser welding with MIG / MAG arc welding further increases welding speed, improves process stability, introduces filler through the MSG wire feed, and achieves a lower temperature gradient, thereby reducing the tendency to harden.
  • the combination of the laser welding with the MSG arc welding is particularly advantageous when a significant increase in the welding speed is sought or the use of larger amounts of filler material metallurgical reasons, for reasons of gap filling or due to certain standard provisions is required.
  • control computer 44 which communicates with the sensors and actuators of the orbital carriage 7, the components arranged there and communicating with the units located on the transport vehicle 35 via the communication line 49.
  • control computer 44 which communicates with the sensors and actuators of the orbital carriage 7, the components arranged there and communicating with the units located on the transport vehicle 35 via the communication line 49.
  • a plurality of control, regulation, monitoring and logging means are integrated in the control computer 44, which are described below. These means are embodied, for example, either as a wired circuit or as a suitably programmed control regulation device.
  • the control computer 44 has a first process parameter control 19, which is designed and connected via the control computer 44 to the orbital position detection sensor 18, the high-power fiber laser beam source 9, the MSG power source 32 and the feed device 8, the laser radiation parameters, MSG arc parameters and the feed rate of the orbital carriage 7 as a function of the orbital position ⁇ of the orbital carriage 7 are automatically adjustable.
  • a first process parameter control 19 which is designed and connected via the control computer 44 to the orbital position detection sensor 18, the high-power fiber laser beam source 9, the MSG power source 32 and the feed device 8, the laser radiation parameters, MSG arc parameters and the feed rate of the orbital carriage 7 as a function of the orbital position ⁇ of the orbital carriage 7 are automatically adjustable.
  • weld for example, in case of downpipe or stitching seam with different welding parameters.
  • Fig. 5 shows a mounted on the laser welding head 12, the already formed or intended, defined by the orientation of the laser beam 10 laser welding zone 13 seam following sensor 15 by means of which the position of the peripheral joint 3 relative to the intended laser welding zone 13 can be detected.
  • the seam tracking sensor 15 is for example, as a light-optical sensor, which detects the position of the peripheral joint 3 via triangulation.
  • a signal associated with the position of the seam following sensor 15 is supplied to the control computer 44, which is connected to the adjusting means 16.
  • the control computer 44 has a position control 17, which is designed and interconnected via the control computer 44 with the seam tracking sensor 15 and the adjusting means 16, that the alignment of the laser beam 10 and in particular of the MSG arc welding head 28 in dependence on the detected position of the peripheral joint. 3 is automatically adjustable.
  • the laser beam 10 is automatically aligned with the peripheral joint 3, so that even with a not exactly parallel to the peripheral joint 3 mounted guide ring 6 or an odd circumferential joint 3 misalignment of the laser beam 10 and the MSG
  • a process sensor 40 is arranged on the laser welding head 12 such that electromagnetic radiation, in particular thermal radiation, optical radiation or plasma radiation from the laser welding zone 13 can be detected via the process sensor 40.
  • a second process parameter control 41 which is integrated in the control computer 44, is designed and interconnected via the control calculation 44 with the process sensor 40, the high-power fiber laser beam source 9, the MSG power source 32, the feed device 8 and the adjustment means 16, that laser radiation parameter, MSG Arc parameter, the feed rate of the orbital carriage 7 and the orientation of the laser beam 10 in response to the detected radiation are automatically adjustable.
  • the laser welding zone 13 trailing optical Seam quality sensor 38 which is designed for example as a light-optical sensor, optical images of the weld seam 4 produced can be produced.
  • logging means 39 are provided, which are connected via the control computer 44 with the seam quality sensor 38 for storing and optical reproduction of the recordings of the weld 4 produced, so that after performing the welding process, a replay of the recorded welding process is possible. This is advantageous, in particular, for determining any defects in the weld seam 4, since with additional detection and recording of the orbital position ⁇ , the defect location can be located quickly.
  • image processing means 42 are also integrated in the control computer 44, which are designed and interconnected via the control computer 44 with the logging means 39, that the recordings of the produced weld 4 can be electronically evaluated and an evaluation signal that is linked to the quality of the weld 4 , is dispensable.
  • the output or recording of an error message is thus possible. If necessary, the welding process is stopped after the error message has been output and a warning signal is issued to enable the error to be rectified quickly and to minimize downtimes.
  • a third, also in the control computer 44 integrated process parameter control 43 is formed and connected via the control computer 44 with the image processing means 42, the high-power fiber laser beam source 9, the MSG power source 32, the feed device 8 and the adjusting means 16 that laser radiation parameter, MSG Arc parameter, the feed rate of the Orbital carriage 7 and the orientation of the laser beam 10 in response to the evaluation signal are automatically adjustable. Insufficient quality of the weld seam 4 or weld seam defects can be counteracted automatically by means of this control by adaptation of process parameters.
  • the use of additional sensors and controls to increase process reliability is of course possible.
  • the arrangement variants described above represent only one possible, non-limiting embodiment.
  • the sensors described may be arranged directly or indirectly on other elements of the orbital carriage 7.
  • a control computer 44 it is possible to use a plurality of independent control or regulation units, which are located directly on the orbital carriage 7, for example.

Landscapes

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Orbitalschweißvorrichtung für den mobilen Einsatz beim Rohrleitungsbau gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1. FR 2812227A1 offenbart eine solche orbitalschweiβvorrichtung.
  • Vorrichtungen zum Schweißen von Rohren entlang des Rohrumfangs sind seit langem bekannt und werden als Orbitalschweißvorrichtungen bezeichnet. Im Durchmesserbereich von 50 mm bis über 1.500 mm und im Wanddickenbereich von 2,5 mm bis über 25 mm haben die mobilen Orbitalschweißverfahren die zuvor angewande Muffenverbindungs- und Schraubenverbindungstechnik im Wesentlichen abgelöst. Während die meisten Industrieschweißanlagen stationär in von Umgebungseinflüssen abgeschirmten Industriehallen betrieben werden oder zumindest die Schweißarbeiten an einem stationären Produkt durchgeführt werden, bewegen sich die Produktionsmittel bei Linienbaustellen des Rohrleitungsbaus, beispielsweise des Pipelinebaus, entlang des fertig zu stellenden Produkts und sind dabei allen Einflüssen der wechselnden Umgebung und der unterschiedlichen Witterung ausgesetzt. Oft steht nur eine sehr eingeschränkte Infrastruktur zur Verfügung, weshalb auf eine feste Strom-, Wasser- und/oder Gasversorgung, wie sie bei stationären Industrieschweißanlagen selbstverständlich sind, vollkommen verzichtet werden muss, so dass auf mobile Generatoren, mobile Wärmetauscher und transportable Fluid- und Gastanks zurückgegriffen werden muss, die beispielsweise auf mindestens einem Transportfahrzeug längs zur Rohrleitung mittransportiert werden. Rohrschweißarbeiten sind regelmäßig neben dem herzustellenden Rohrgraben oder im Rohrgraben selbst bei liegender Rohrachse in Zwangslage durchzuführen. Die sich durch unterschiedlichste Witterungsverhältnisse, ungünstige ergonomische Voraussetzungen und dem Erfordernis der Anpassung an unterschiedliche Gegebenheiten ergebenden Baustellenbedingungen sind von grossem Einfluss auf die Güte des Schweissergebnisses. Aus diesen Gegebenheiten haben sich verschiedene Schweisstechniken und Schweissverfahren entwickelt, die sich vornehmlich in manuelle, teil- oder vollmechanisierte Verfahren oder deren Kombination unterteilen lassen. Massgebend für das gewählte Schweissverfahren sind Kriterien wie Werkstoff, Abmessung, Verwendungszweck und Wirtschaftlichkeit.
  • Rein manuelle Verfahren sind beispielsweise das fallende Metall-Lichtbogenschweissen mit Stabelektroden, das durch grosse Spaltüberbrückbarkeit und dickere Einzelschweisslagen gekennzeichnete Lichtbogenschweissen in Steignahttechnik und das Lichtbogenschweissen in Fallnahttechnik. Letzteres ermöglicht eine verhältnismässig hohe Schweissgeschwindigkeit, erfordert jedoch zur einwandfreien Durchführung der Schweissarbeiten ein genaues Ausrichten der Rohrenden mit geeigneten Zentriervorrichtungen, einen gleichmässigen Luftspalt, einen geringen Kantenversatz und die Vermeidung zu hoher Abkühlgeschwindigkeiten der Einzellagen. Ein voll ausgebildeter Fallnahtschweisser, geeignete Zentriervorrichtungen, gute Schweisselektroden und geeignete Schweissstromquellen, die linearen Gleichstrom erzeugen, sind zum wirtschaftlichen Einsatz der Fallnahttechnik unumgänglich.
  • Auch wenn in Niedriglohnländern, in denen der Faktor Lohn kaum eine Rolle spielt, Pipelines nach wie vor von Hand fallend mit oftmals technisch veralteten Schweissmaschinen geschweisst werden und somit die Qualität der Schweissnähte vor allem von der Qualifikation und Tagesform des Schweissers abhängig ist, wurden mittlerweile eine Vielzahl an automatischen oder halbautomatischen Schweissverfahren entwickelt. Ein sehr verbreitetes und relativ wirtschaftliches Verfahren im Pipelinebau ist die MAG-Orbitalschweisstechnik. Das Akronym MAG steht für das aus dem Stand der Technik bekannte Metallaktivgasschweissen, bei welchem ein Lichtbogen zwischen einer abschmelzenden und im Wesentlichen kontinuierlich zugeführten Drahtelektrode und dem Werkstück innerhalb eines Schutzgasmantels aus beispielsweise CO2 oder Mischgas aus CO2 inertem Gas, z.B. Argon, und eventuell auch O2 abbrennt. Abhängig von der Verlegegeschwindigkeit der Pipeline, dem Rohrdurchmesser, der Wanddicke des Rohrs, der Beschaffenheit des Geländes, den Umgebungstemperaturen, der zur Verfügung stehenden Infrastruktur und der Qualifikation der Fachkräfte haben sich im Stand der Technik im Wesentlichen vier unterschiedliche Varianten etabliert, die im Folgenden dargestellt werden.
  • Bei der ersten Variante - der zwar kostengünstigsten aber auch langsamsten und daher vor allem für kürzere Pipelinebaustellen geeigneten Variante - werden die Rohre ohne Vorbehandlung mit einem Luftspalt von 1,5 mm bis 3 mm Abstand mittels einer pneumatischen Innenzentrierung zentriert und fixiert. Zunächst wird die Wurzel manuell von oben nach unten mit einer cellulosen bzw. basischen Elektrode oder mit einem MAG-Schweissgerät mit Metallpulverdraht von 1,0 mm geschweisst. Nach Fertigstellung der Wurzel wird ein Spannband um das Rohr nahe der Fuge arretiert, an dem mit zwei MAG-Orbitalschweissköpfen, die jeweils einen MAG-Brenner aufweisen, von unten nach oben mit einem Fülldraht alle Zwischenlagen und die Decklagen geschweisst werden. Für den Schweissprozess wird ein Schutzgas aus CO2 und Argon eingesetzt. Der erste Schweisser beginnt in der Position 6 Uhr und schweisst pendelnd mit Verweilzeiten links und rechts alle Füll- und Decklagen bis zur Position 12 Uhr. Der zweite Schweisser beginnt zeitversetzt ebenfalls bei der Position 6 Uhr und schweisst bis zur Position 1 Uhr, um eine Überlappung der Schweissnaht zu erhalten. Diese Variante ist für das Verlegen von Fernwärmerohren im Tunnelbau, Wasserleitungen im Tunnelbau, aber auch für Gasspeicher grösserer Dimension, z.B. Durchmesser 2.500 mm, vor allem aber bei Wanddicken zwischen 15 mm und 30 mm einsetzbar. Die Abschmelzleistung beträgt 3,1 kg pro Stunde. Gegenüber dem Fallnahtschweissen mit Cellulose-Elektroden mit 1,7 kg pro Stunde ist diese Variante doppelt so schnell.
  • Die zweite etablierte Variante, die wesentlich schneller als die erste Variante ist, erfordert höhere Investitionskosten. Um nach dieser Variante schweissen zu können, benötigt man eine Fasing-Maschine mit einem Hydraulikaggregat zum Bearbeiten der Rohrenden. Alle Rohre sind auf der Baustelle mit einem Seitenbaum einzeln anzuheben, so dass sie in die Fasing-Maschine eingeführt werden können, um die Rohrenden entsprechend mit einer speziellen Schweissnahtvorbereitung auszustatten. Die Fugenform entspricht einer Tulpe mit einem Steg von ca. 2 mm mit einem geringen Öffnungswinkel, wobei wenig Zusatzwerkstoff wegen des geringen Nahtvolumens benötigt wird. Um das wurzelschweissen von aussen qualitativ zu beherrschen, ist es erforderlich, eine pneumatische Innenzentriervorrichtung mit Kupferbacken einzusetzen. Aufgabe der Kupferbacken ist es, das flüssige Schweissgut zu stützen, um eine hundertprozentige Wurzel zu erzielen, bei der beide Rohrinnenkanten miteinander verschweisst sind und ein Wurzeldurchhang von maximal 1 mm gewährleistet ist. Nachdem die Rohrenden bearbeitet sind, wird das Rohr mittels der pneumatischen Innenzentrierung mit Kupferbacken zentriert. Zuvor wird an einem der Rohrenden ein Spannband montiert, an welchem zwei MAG-Orbitalschweissköpfe geführt sind, welche die Wurzel von 12 Uhr nach 6 Uhr schweissen. Die Rohrenden werden ohne Luftspalt zentriert, so dass beginnend bei 12 Uhr der erste MAG-Orbitalschweisskopf den Steg mit einer hohen Stromleistung aufschmilzt und das flüssige Schweissgut von den Kupferbacken gestützt wird. Der zweite MAG-Orbitalschweisskopf startet ebenfalls bei 12 Uhr, wenn.der erste MAG-Orbitalschweisskopf die Position 2 Uhr erreicht hat. Um Fehler in der Wurzel zu vermeiden, findet eine derart konstante Stromversorgung für die Inverter oder Gleichrichter statt, dass sich die Schweissparameter während des Zuschaltens des zweiten MAG-Orbitalschweisskopfes nicht verändern. Dies ist insbesondere mittels eines hydraulischen, auf dem längs zur Pipeline bewegten Transportfahrzeug befindlichen Generatorantriebs, der im Millisekundenbereich reagiert, um die Stabilität des Lichtbogens zu erhalten, gewährleistet. Gegebenenfalls ist es möglich, für die unterschiedlichen Schweisspositionen - waagrecht, fallend und über Kopf - die Schweissstromquellen so zu programmieren, dass entsprechend der Position eines MAG-Orbitalschweisskopfes jeweils eine Stromanpassung sowie die Anpassung der Drahtvorschubgeschwindigkeit erfolgt. Die Anpassung erfolgt vollautomatisch, halbautomatisch oder auch manuell. Die beiden MAG-Orbitalschweissköpfe schweissen die Naht nach gleichen Kriterien von oben nach unten. Nach Fertigstellung der zweiten Lage werden die MAG-Orbitalschweissköpfe vom Spannband entfernt und zum nächsten Schweissstoss transportiert. Ein nachfolgendes MAG-Orbitalschweisskopfpaar schweisst nichtpendelnd mehrere Fülllagen ebenfalls von oben nach unten. Je nach Wanddicke des Rohres können bis zu 5 solcher Schweissstationen versetzt entlang der Pipeline eingesetzt werden, wobei insgesamt 10 MAG-Orbitalschweissköpfe teilweise gleichzeitig im Einsatz sind und benötigt werden. Es wird mit Massivdraht geschweisst und je nach Schweisslage mit einer unterschiedlichen Gaszusammensetzung gearbeitet. Es ist empfehlenswert, eine automatische Gasmischanlage auf den mobilen Transportfahrzeugen zu installieren oder Gas aus Flaschen zu verwenden, in denen das Gemisch fertig angeliefert wird. Die Abschmelzleistung dieser Variante beträgt üblicherweise bis zu 5,1 kg pro Stunde mit Massivdraht, was eine wesentliche Steigerung der Schweissgeschwindigkeit und der Tagesleistung darstellt. Die Schweissnahtqualität ist gut bis sehr gut. Eine maximale Reparaturquote von 3 bis 5% ist gegeben.
  • Für die dritte Variante wird ein Innen-MAG-Orbitalschweisskopf benötigt, um die Wurzel von innen zu schweissen. Vier MAG-Schweissbrenner schweissen - beginnend von Position 12 Uhr bis 6 Uhr - die Wurzel überlappend von der einen Hälfte des Rohres und vier MAG-Schweissbrenner von oben nach unten die andere Hälfte des Rohres. Das Schweissen der Wurzel an einem 1.200 mm Rohr dauert ca. 3 Minuten. Um diese hohe Schweissgeschwindigkeit zu erzielen, sind die Investitionskosten entsprechend sehr hoch. Das Schweissen der Füll- und Decklagen erfolgt wie bei der zweiten Variante mit Massivdraht von oben nach unten. Die Regelung findet in Abhängigkeit vom Qualifikationsgrad des Bedienungspersonals manuell, halbautomatisch oder im Falle programmierbarer Stromquellen automatisch statt. Die Abschmelzleistung bei diesem Verfahren liegt üblicherweise bei 5,9 kg pro Stunde, so dass dieses Verfahren im Vergleich zu den Vorangegangenen das schnellste, aber auch das kostenintensivste Orbitalschweissverfahren ist.
  • Eine vierte Variante sieht die Ausrüstung jeweils eines MAG-Orbitalschweisskopfes mit zwei um den Rohrumfang leicht versetzten MAG-Brennern und zwei oder vier Drähten vor. Die Schweissgeschwindigkeit erhöht sich etwa um 100%, wenn mit zwei MAG-Brennern geschweisst wird, oder etwa um 400%, wenn mit zwei MAG-Brennern und vier Drähten geschweisst wird. Diese Technologie ist vor allem für Rohre geeignet, deren Durchmesser grösser als 1.000 mm ist und deren Wanddicke mindestens 20 mm beträgt. Die Schweissnahtvorbereitung ist entsprechend anzugleichen. Insgesamt sind acht Schweissstromquellen, die beispielsweise auf dem Transportfahrzeug angeordnet sind, erforderlich, um zwei an einem Spannband wie oben beschrieben geführte MAG-Orbitalschweissköpfe mit jeweils vier Drähten bedienen zu können. Die Stromquellen kommunizieren miteinander und pulsen synchron. Dies ist z.B. mit einem speziellen Multi-Inverter möglich. Um derartige MAG-Orbitalschweissköpfe mit insgesamt vier Brennern einsetzen zu können, ist eine umfangreiche Schulung des Bedienpersonals erforderlich. Die jeweiligen Baustellenkriterien müssen berücksichtigt werden, um die gewünschte Tagesleistung mit diesem Verfahren zu erzielen. Die Investitionskosten sind erheblich, jedoch wird eine sehr hohe Abschmelzleistung und Schweissgeschwindigkeit erzielt.
  • Um bei allen vier Varianten des MAG-Orbitalschweissens optimale Schweissergebnisse zu erzielen, findet der Schweissprozess jeweils unter einem geeigneten Schweisserzelt statt. Das Schweisserzelt ist so konzipiert, dass während des Schweissprozesses keine Zugluft in das Zelt gelangen kann. Des Weiteren sind die Türen des Schweisserzelts derart gesichert, dass während der Schweissarbeiten kein Fremdzugang von aussen möglich ist. Im Falle extremer thermischer Bedingungen sind die Schweisserzelte zugluftfrei klimatisiert. Die Schweissnahtqualität hängt zum grossen Teil von der Ausführung des Schweisserzeltes ab. Alle oben beschriebenen vier Varianten des MAG-Orbitalschweissens sind technisch ausgereift, setzen aber voraus, dass alle Rahmenbedingungen eingehalten werden, um erstklassige Schweissnähte zu produzieren.
  • Das MAG-Orbitalschweissen ist durch hohe Reparaturquoten, Ausfallzeiten durch Witterungseinflüssen sowie Beeinträchtigungen der Schweissnahtqualität durch das Bedienungspersonal an seinen Grenzen angekommen. Das Bedienungspersonal der MAG-Orbitalschweissköpfe muss nicht nur auf dem Sektor Schweisstechnik, sondern auch auf dem elektronischen Sektor hochqualifiziert sein. Schweissparameter, die den Schweissprozess in den unterschiedlichen Schweisspositionen vollautomatisch beeinflussen, haben den Nachteil, dass Veränderungen von aussen - insbesondere Spritzer, die unkontrolliert beim Schweissen entstehen können, oder auch Einflüsse aus der Atmosphäre - voraussetzen, dass der Schweisser sofort in den automatisierten Prozess eingreift und den Schweissprozess manipuliert, um die Fehler zu minimieren. Das Schweissen der Wurzel mit Innen-MAG-Orbitalschweissköpfen ist zwar sehr schnell, aber auch sehr kostenintensiv. Ausserdem ist die Wurzellage oft mit sehr vielen Schweissfehlern behaftet. Am Beginn einer Wurzel ist es möglich, dass sich beim Ansetzen Poren bilden, die sich beim Überschweissen mit einem nachfolgenden Brenner bis in die obere Nahtschicht ausbilden. Diese Poren müssen nach dem Schweissen mechanisch beseitigt werden. Es ist also erforderlich, dass ein Schweisser von innen und mit einem Handschweissgerät die Wurzel nachschweisst. Erst dann können weitere Schweissprozesse von aussen erfolgen. Die hohen Investitionskosten und das viele erforderliche gut ausgebildete Personal haben diesem Verfahren daher nicht zum Durchbruch verholfen. Durch den Einsatz von zwei oder vier Drähten an einem Schweisskopf werden diese Probleme sogar noch umfangreicher.
  • Da zur Fertigstellung einer Schweissnaht neben der Wurzel und der Decklage eine Vielzahl an Fülllagen geschweisst werden müssen, die zum Teil den Einsatz unterschiedlicher MAG-Orbitalschweissköpfe erfordern, werden zur Erreichung einer hohen Verlegegeschwindigkeit der Pipeline in der Regel mehrere, teilweise über fünf Schweissstationen eingesetzt, mittels welcher jeweils eine Schweissnaht oder mehrere Schweissnähte erzeugt werden. Da somit gleichzeitig an mehreren Rohrverbindungen gearbeitet wird, müssen mehrere komplett ausgestattete Schweissstationen bereitgestellt werden, die jeweils nicht nur mehrere MAG-Orbitalschweissköpfe, sondern auch jeweils eine Abschirmung insbesondere in Form eines Schweisserzelts, ein die jeweilige Schweissstromquelle, die Schutzgasflaschen, den Generator, gegebenenfalls den Schweissdraht und weitere Versorgungseinrichtungen transportierendes Transportfahrzeug und mehrere Rohrkräne erfordern. Dies führt nicht nur zu erheblichen Investitionskosten, sondern hat auch einen grossen Wartungsaufwand und hohe Personalkosten zur Folge, da jede Schweissstation von entsprechend qualifiziertem Personal zu bedienen ist.
  • Aufgrund dieser Probleme im Stand der Technik des mobilen MAG-Orbitalschweissens von Pipelines wird weltweit seit längerem nach alternativen Fügeverfahren für den Pipelinebau geforscht.
  • Ein im stationären Einsatz bewährtes Schweissverfahren ist das Laserstrahlschweissen. Beim Laserstrahlschweissen kommen als Laserstrahlquelle momentan Hochleisbungs-CO2-Gaslaser, -Nd:YAG-Festkörperlaser, -Scheibenlaser und -Diodenlaser zum Einsatz. Als Hochleistungslaser sei eine Laserstrahlquelle mit einer Strahlleistung von mindestens 1 kW zu verstehen.
  • CO2-Laser emittieren Laserlicht mit einer Wellenlänge von 10,6 µm und besitzen in der Materialbearbeitung Strahlleistungen von wenigen hundert Watt bis über 40 kW bei einem Wirkungsgrad von cirka 10%. Die Strahlführung hat bei derartigen CO2-Laser über relativ aufwendige Spiegeloptiken zu erfolgen, da eine Strahlführung über einen flexiblen Lichtwellenleiter aufgrund der Wellenlänge des emittierten Laserlichts nicht möglich ist.
  • Das von einem Nd:YAG-Laser emittierte Laserlicht hat eine Wellenlänge von 1,064 µm, wobei industriell verfügbare, lampengepumpte Systeme für die Materialbearbeitung eine Strahlleistung von etwa 10 W bis über 6 kW im Dauerstrichbetrieb besitzen. Durch die Verwendung von Dioden-Arrays zur Anregung anstelle von Bogenlampen ist bei allerdings erheblich höheren Investitionskosten eine Erhöhung des Wirkungsgrades von 3% für ein lampengepumptes System auf bis zu ca. 10% möglich. Ein von einem Nd:YAG-Laser erzeugter Strahl kann im Gegensatz zum CO2-Laserstrah über Lichtwellenleiter, insbesondere ein Glasfaserkabel, geführt werden, was eine erheblich flexiblere Aufstellung der Strahlquelle und Handhabung des Nd:YAG-Laserstrahls ermöglicht.
  • Eine neuere Entwicklung im Bereich der Festkörperlaser ist der Scheibenlaser. Das Licht dieses Lasers kann wie das des Nd:YAG-Lasers über Fasern geführt werden. Vorteilhaft ist bei diesem Laser insbesondere der hohe Wirkungsgrad im Bereich um 20%. Seine Strahlleistung ist jedoch derzeit auf bis zu 4 kW beschränkt.
  • Die Wellenlänge von Diodenlasern liegt je nach Dotierung des verwendeten Halbleitermaterials zwischen 0,78 und 0,94 µm, wobei bei einem Wirkungsgrad von 35 bis 50% derzeit Strahlleistungen bis 4 kW fasergekoppelt oder 6 kW direktstrahlend industriell verfügbar sind.
  • Diese vier beim Laserstrahlschweissen eingesetzten Laserstrahlquellen konnten jedoch bisher nicht beim mobilen Orbitalschweissen von Rohen, insbesondere Pipelines, erfolgreich zur Anwendung kommen.
  • Da der von einem CO2-Laser emittierte Strahl nur mittels Spiegel umgelenkt werden kann und die Strahlführung somit ausserordentlich schwierig ist, kommen CO2-Laser bisher in der Praxis nur im stationären Bereich oder im Off-Shore-Bereich auf Schiffen zum Einsatz, wobei entweder die zu fügenden Rohre bei stillstehender Laserstrahlquelle relativ zum unbewegten Laserstrahl gedreht werden oder die gesamte Laserstrahlquelle mittels einer stabilen Vorrichtung um das aufrecht stehende unbewegte Rohr geschwenkt wird. Derartige Vorrichtungen zeigt beispielsweise die US 4,591,294 , in welcher eine Orbitalschweissvorrichtung mit zwei CO2-Lasern beschrieben wird, die auf einer drehbaren Plattform angeordnet sind und derart jeweils um 180° um einen senkrecht stehenden, von einem Schiff in das Meer herabzulassenden Pipelineabschnitt geschwenkt werden können, dass eine Umfangsschweissnaht herstellbar ist. Bei der horizontalen Landverlegung von langen Rohrleitungen, insbesondere Pipelines, ist das Drehen der Rohrleitung bei unbewegtem Laserstrahl ausgeschlossen. Ein Schwenken des gesamten CO2-Lasers um ein horizontal liegendes Rohr ist aufgrund des hohen Gewichts und der Baugrösse eines Hochleistungs-CO2-Lasers mittels mobiler Vorrichtungen mit der erforderlichen Präzision unter Feldbedingungen nicht möglich. Ein Führen des Laserstrahls rings um ein feststehendes Rohr, bevorzugt um über 180°, so dass der Strahl stets im Wesentlichen senkrecht auf die Rohraussenfläche auftrifft, ist höchst kompliziert, da mehrgelenkige Spiegelsysteme zum Einsatz kommen müssen. Ein Spiegelsystem, mittels welchem ein parallel zur Rohrachse ausserhalb des Rohrs geführter Laserstrahl über fünf Spiegel, die in einem mehrschenkligen und mehrfach verstellbarem Stahlführungsrohrsystem angeordnet sind, rings um eine Umfangsfuge zweier Rohrenden geführt werden kann, ist aus der russischen Offenlegungsschrift RU 2 229 367 C2 bekannt. Die US 4,533,814 zeigt ein ähnliches System, bei welchem ein senkrecht auf die Rohrachse weisender Laserstrahl über ein Stahlführungsrohrsystem, das drei Gelenke und mehrere Spiegel umfasst, um ein Rohr relativ kleinen Durchmessers geführt werden kann. Ein weiteres Spiegelsystem wird in der US 4,429,211 beschrieben, bei welchem ein Laserstrahl über verstellbare Spiegel zum Teil ungeschirmt zu einem eine Umfangsfuge orbital umlaufenden Arbeitskopf gelenkt wird, der diesen Strahl wiederum senkrecht auf die Umfangsfuge richtet. Den bekannten Spiegelsystemen ist gemein, dass sie aufgrund des grossen Platzbedarfs, des hohen Gewichts, der hohen Investitionskosten und der hohen Empfindlichkeit in Bezug auf Verschmutzung, Dejustierung oder Beschädigung der Spiegel für den mobilen Einsatz unter Feldbedingungen ungeeignet sind. Ein Innenumfangsschweissen mittels eines zur Rohrachse koaxialen CO2-Laserstrahl ist zwar möglich, jedoch lassen sich durch das Innenumfangsschweissen von Rohrleitungen ohne zusätzliches Aussenumfangsschweissen bisher nur unbefriedigende Resultate erzielen. Ein weiteres Problem des CO2-Lasers ist dessen schlechter Wirkungsgrad und der hiermit verbundene hohe Energie- und Kühlungsbedarf. Da im Feldeinsatz Strom in der Regel von mobilen Generatoren erzeugt werden muss, ist die ausreichende Stromversorgung eines Hochleistungs-CO2-Laser problematisch. Weiters müssen wegen der hohen Wärmeentwicklung grosse Kühlsysteme eingesetzt werden, die einen mobilen Einsatz eines CO2-Lasers zusätzlich erschweren. Aufgrund der relativ hohen Erschütterungsempfindlichkeit eines CO2-Lasers ist ein mobiler kaum möglich.
  • Ein Nd:YAG-Laser wäre aufgrund der Tauglichkeit des emittierten Laserstahls zur Strahlführung über einen flexiblen Lichtwellenleiter für die Führung des Strahls um ein Rohr grossen Durchmessers geeignet, jedoch erweist sich diese Laserquelle, wie auch der CO2-Laser, als ungeeignet für den mobilen Feldeinsatz. Aufgrund des verglichen mit anderen Industrielasern schlechten Wirkungsgrads einer Nd:YAG-Lasers stellen die Stromversorgung und der Platzbedarf des Lasers und dessen Zusatzkomponenten, insbesondere der Kühler, ein bisher nicht gelöstes Problem für den Einsatz beim mobilen Orbitalschweissen von Pipelines dar. Die Erschütterungsempfindlichkeit eines Nd:YAG-Laser ist ebenfalls relativ hoch. Ausserdem können bisher mit dem Nd:YAG-Laser aufgrund der im Vergleich zum CO2-Laser geringeren Laserstrahlleistung auch im stationären Einsatz keine vollends zufrieden stellenden Schweissergebnisse erzielt werden, da die maximal erreichbare Schweissgeschwindigkeit beim Schweissen von grossen Rohren, insbesondere für eine Pipeline, zu gering ist oder nicht einlagig geschweisst werden kann.
  • Die Strahlleistung des Scheibenlasers ist derzeit auf maximal 4 kW beschränkt, was angesichts der Stahleigenschaften eines Scheibenlasers für das Orbitalschweissen von dickwandigen Rohren als nicht ausreichend anzusehen ist. Trotz seines hohen Wirkungsgrads im Bereich um 20% und des damit verbundenen relativ geringen Leistungsbedarfs ist der Scheibenlaser aufgrund seines schwierig zu justierenden Aufbaus und seiner extrem hohen Erschütterungsempfindlichkeit momentan keinesfalls als mobile Strahlquelle, die unter Feldbedingungen zwangsläufig Erschütterungen ausgesetzt ist, geeignet.
  • Im Gegensatz zu Hochleistungs-CO2-Lasern, -Nd:YAG-Lasern und -Scheibenlasern, die hinsichtlich Energie- und Raumbedarf sowie konstruktiver Auslegung und Gewicht nur mit sehr grossen Einschränkungen überhaupt als mobile Systeme betrieben werden können, stellt der Diodenlaser eine relativ mobile, kompakte und leichte Laserstrahlquellen mit gutem Wirkungsgrad dar. Jedoch ermöglicht der Diodenlaser aufgrund seiner prinzipbedingten geringeren Strahlintensität und Strahlleistung in der Regel unter Normalbedingungen kein Tiefschweissen, so dass das Schweissen dickwandigerer Rohre nur in Mehrlagentechnik möglich wäre.
  • Die US 5,796,068 und US 5,796,069 beschreiben eine Laseraussenumfangsschweissvorrichtung für den Pipelinebau. Die Vorrichtung umfasst wenigstens eine aussen an einem Rohr der Pipeline befestigte ringförmige Führungsschiene, einen auf nämlicher geführten und rings um das Rohr bewegbaren Schweisswagen, eine auf dem Schweisswagen montierte Laserstrahlquelle zum Erzeugen eines Laserstrahls, der gegebenenfalls über Umlenkmittel auf die von den zu verbindenden, stumpf gegeneinander stossenden Rohrenden gebildete Fuge richtbar ist, und eine ebenfalls auf dem Schweisswagen montierte Vorschubeinheit zum orbitalen Bewegen des Schweisswagens um das Rohr, so dass der Laserstrahl entlang der Fuge der gegeneinander stossenden Rohrende zum Fügen der selbigen mittels einer Aussenumfangsschweissnaht geführt wird. Da die Laserstrahlquelle direkt auf dem Schweissfahrzeug angeordnet ist und um das gesamte Rohr bewegt werden muss, ergeben sich erhebliche Einschränkungen bei der Auswahl einer hierfür geeigneten Strahlquelle. Ein bezüglich Baugrösse und Gewicht geeigneter Festkörper- oder Gaslaser weist eine viel zu geringe Strahlleistung auf, um eine Schweissgeschwindigkeit, die mindestens derjenigen beim Lichtbogenschweissen entspricht, zu erreichen. Ein Diodenlaser wäre zwar unter Umständen bezüglich seiner Baugrösse zur direkten Montage auf den Transportwagen geeignet, jedoch ermöglicht er aufgrund seiner prinzipbedingt geringe Strahlintensität kein Tiefschweissen dickwandiger Rohre ohne Anwendung von Mehrlagentechnik.
  • Ausserdem wird in der US 5,796,068 und in der US 5,796,069 eine kombinierte Laserinnenumfangsschweiss- und Innenzentriervorrichtung beschrieben. Die Vorrichtung ist als ein Fahrzeug ausgebildet, das mittels eines Antriebs innerhalb des Rohrs entlang der Rohrachse bewegbar ist und sich somit im Bereich der von den zu verbindenden, stumpf gegeneinander stossenden Rohrenden gebildete Fuge positionieren lässt. Mit Hilfe einer integrierten Innenzentriereinheit, die zwei jeweils auf die Innenfläche eines Rohrs radial wirkende pneumatische Spannvorrichtungen aufweist, sind die beiden Rohre in bekannter Weise exakt zueinander ausrichtbar. In einem darauf folgenden Schritt wird mindestens ein von einer auf dem Rohrfahrzeug montierten Laserstrahlquelle emittierter Laserstrahl über Lichtleitmittel entlang der Fuge zum Fügen der beiden Rohrenden mittels einer Innenumfangsschweissnaht geführt. Weiters wird ein Verfahren beschrieben, bei welchem zuerst eine Schweisslage von innen mit Lichtbogen und im Anschluss eine Schweisslage von aussen mit Laser geschweisst wird.
  • In der WO 92/03249 wird eine Vorrichtung zum Laserschweissen eines Rohrs entlang seinem Innenumfang mit einer in das Rohr einführbaren Sonde offenbart. Innerhalb der Sonde sind Mittel angeordnet, mit denen ein Teil eines sich in ihrem Inneren ausbreitenden Schutzgasstroms vor Erreichen einer Austrittsöffnung für ein fokussiertes und umgelenktes, insbesondere von einem beabstandeten Nd:YAG-Laser mittels eines Lichtwellenleiters zugeführten Laserstrahlenbündel abgezweigt und mit einer zur Austrittsöffnung hin gerichteten Strömungskomponente zur Aussenoberfläche des Sonde geführt wird. Dadurch wird ein Niederschlag von Schweissgut im Bereich der Austrittsöffnung und im Inneren der Sonde verringert.
  • In der US 5,601,735 wird eine Laserschweissvorrichtung zur Herstellung eines länglichen, rohrförmigen und gasdichten, insbesondere mit dem Isolationsgas SF6 zu befüllenden Erdungszylindergehäuses aus einer Vielzahl von kurzen, über eine Aussenumfangsschweissnaht miteinander verbundenen Zylindersegmenten für eine elektrische Komponente, beispielsweise einen Leistungs- oder Lasttrennschalter, vorgestellt. Die Laserschweissvorrichtung umfasst einen Ringrahmen, der mittels zweier, die beiden zu verbindenden. Zylindersegmente jeweils nahe den Zylinderenden fest umschliessenden Spannbänder rings um die Umfangsfuge angeordnet wird. Da der Abstand der beiden über den Ringrahmen miteinander verbundenen Spannbänder über eine Vielzahl an Längsstellschrauben einstellbar ist und beide Spannbänder relativ zu den Zylindersegmenten über mehrere, entlang dem Umfang verteilte Radialspannschrauben axial ausrichtbar sind, ist es möglich, die beiden Zylindersegmente zueinander auszurichten. Innerhalb des Ringrahmens befindet sich eine Ringschiene, entlang welcher ein Laserschweisswerkzeug geführt wird, das über einen am Ringrahmen montierten, in einen am Laserschweisswerkzeug angeordneten Zahnkranz eingreifenden Elektromotor rings um die Umfangsfuge bewegbar ist. Das Laserschweisswerkzeug umfasst eine Fokussieroptik zum Fokussieren eines Laserstrahls auf die Umfangsfuge, Detektoren zum Erfassen der Lage der Umfangsfuge und zwei Antriebe zum Feinausrichten der Fokussieroptik auf die Umfangsfuge in radialer und axialer Richtung. Der Laserstrahl wird mittels einer in der Nähe des Ringrahmens platzierten Laserstrahlquelle erzeugt und über ein Glasfaserkabel zur Fokussieroptik geleitet. Das Glasfaserkabel ist innerhalb des Ringrahmens über eine Spiralschiene derart um die beiden Rohre gewunden, dass beim Bewegen des Laserschweißwerkzeugs um den gesamten Rohrumfang eine Überdehnung oder sonstige Beschädigung des Glasfaserkabels verhindert werden soll. Als mögliche Laserstrahlquelle wird trotz der verwendeten Glasfaser ein CO2-Laser angegeben. Die in der US 5,601,735 beschriebene Schweißvorrichtung ist für das im stationären Einsatz stattfindende Fügen von relativ kurzen zylindrischen Segmenten kleinen Durchmessers, geringer Wanddicke und relativ leichten Gewichts, wie dies bei gattungsgemäβen Erdungsgehäusen für Leistungs- oder Lasttrennschalter der Fall ist, ausgelegt. Da die Fertigung derartiger Produkte stets stationär erfolgt, stellt sich die Frage eines mobilen Betriebs der offenbarten Vorrichtung gattungsgemäß nicht, weshalb entsprechende Maßnahmen nicht beschrieben werden. Der Einsatz eines derartigen Schweißverfahrens für das Schweißen von langen Rohren große Durchmessers bis über 1500 mm und Wanddicken bis etwa 25 mm, beispielsweise Pipelines, mit hoher Schweißgeschwindigkeit ist mittels der beschriebenen Schweißvorrichtung, die lediglich für geringe Laserleistungen ausgelegt ist, nicht möglich. Die Führung des Laserstrahls einer CO2-Laserquelle mittels eines Glasfaserkabels, wie in der US 5,601,735 beschrieben, ist bei Einsatz einer Hochleistungs-CO2-Laserquelle mit über 1 kW Strahlleistung nicht möglich.
  • Durch FR 2 812 227 A1 ist eine Orbitalschweißvorrichtung bekannt, bei der auf einem Orbitalwagen ein Schweißkopf außen auf dem Rohrumfang umlaufend verfahrbar ist, um eine umlaufende Schweißnaht mit einem Laserschweißkopf herzustellen. Über Verbindungsleitungen ist der Schweißkopf mit einem neben der Rohrleitung verfahrbaren Fahrzeug verbunden, auf dem eine Laserstrahlquelle und eine Stromversorgung angeordnet sind. Der Laserstrahl wird über optische Fasern innerhalb der Verbindungsleitung auf den Schweißkopf geleitet. Für die Verschweißung mit einer U-förmigen Schweißnaht wird die Laserverschweißung für die aneinander anstoßenden Flächen der Rohrenden unterhalb des Bodens des U ausgeführt. Das Ausfüllen der U-förmigen Schweißfuge erfolgt anschließend mit einem herkömmlichen Schweißverfahren. Für das Ausrichten des Lasers auf die Schweißebene können optische Sensoren, beispielsweise in Form einer Kamera, vorgesehen sein. Als bevorzugte Laserstrahlungsquelle wird ein Festkörper-Nd:YAG-Laser auch in Form eines Scheibenlasers angesehen.
  • Aus einem Kongressvortrag auf der Richard Dolby Conference "Metals Joining Technology - Where Next?" vom 17/18. November 2003 ist es ebenfalls bekannt, dass auch für Tiefwasser-Pipeline Nd:YAG-Laser einsetzbar sind, deren Laserstrahlung mit optischen Faserleitungen transportierbar ist. Allerdings wird auch bezüglich etwaiger Hybrid-Verfahren, die ein Laserschweißen mit dem herkömmlichen Lichtbogenschweißen kombinieren, auf absehbare Zeit nicht als vorteilhaft gegenüber dem herkömmlichen Schutzgas-Schweißverfahren angesehen.
  • In dem Aufsatz "Fiber Lasers grow in power" in Laser Focus World 2002, Seiten 83-87 wird darauf hingewiesen, dass die bis dahin nur eine geringe Ausgangsleistung aufweisenden Faserlaser künftig auch als Hochleistungs-Laser hergestellt werden könnten, um für Hochleistungs-Metallschweißanwendungen in der Autoindustrie verwendet zu werden. Es wird angenommen, dass industrielle Faserlaser mit Ausgangsleistungen von 4 kW und 10 kW bald zur Verfügung stünden.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Orbitalschweißen von Rohrleitungen mittels einer Umfangsschweißnaht, die nur eine oder möglichst wenige Lagen aufweist, insbesondere zum Orbitalschweißen von auf Land horizontal verlegten Pipelines im mobilen Einsatz unter Feldbedingungen, zur Verfügung zu stellen, mit der höhere Schweißgeschwindigkeiten als beim MAG-Orbitalschweißen, eine erhöhte Prozesssicherheit und eine hohe Schweissnahtqualität erzielt werden können.
  • Diese Aufgabe wird durch die Verwirklichung der Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Merkmale, die die Erfindung in alternativer oder vorteilhafter Weise weiterbilden, sind den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.
  • Die erfindungsgemässe Orbitalschweissvorrichtung ist für den mobilen Einsatz zum Verbinden eines ersten Rohrendes und eines zweiten Rohrendes entlang einer Umfangsfuge mittels mindestens einer Schweissnaht, insbesondere zur Herstellung einer auf Land horizontal zu verlegenden Pipeline, jedoch auch für den stationären Einsatz oder den Offshore-Einsatz auf See bei nichthorizontaler Rohrausrichtung geeignet. Mittels der erfindungsgemässen Orbitalschweissvorrichtung ist es möglich, Rohre, die aus einem schmelzschweissbaren Werkstoff, insbesondere einem metallischen Werkstoff, bevorzugt einem Stahlwerkstoff, z.B. X70, X80, X90, X100 oder hochlegiertem, nicht rostendem Stahl bestehen und einen Durchmesser von 50 mm bis über 4.000 mm und eine Wanddicke von 2,5 mm bis über 25 mm aufweisen, innerhalb kurzer Zeit mit nur einem Orbitalumlauf zu verbinden. Auch wenn die Anwendung der Vorrichtung für kleinere Rohre möglich ist, besitzen die zu verbindenden Rohrsegmente in den bevorzugten Anwendungen einen Durchmesser von über 500 mm, insbesondere über 800 mm, vor allem über 1.000 mm, eine Wanddicke von über 5 mm, vor allem über 10 mm, und eine Länge, die wesentlich grösser ist als der Durchmesser des Rohrs. Aufgrund der Eignung zum mobilen und autarken Einsatz kann die erfindungsgemässe Vorrichtung auch zur Herstellung von horizontal auf Land zu verlegenden Pipelines in einer Umgebung, in der nur eine schlechte oder keine Infrastruktur in Form einer festen Strom-, Wasser- oder Gasversorgung zur Verfügung steht, verwendet werden.
  • Die Orbitalschweissvorrichtung umfasst einen Führungsring, der zu dem Rohrende eines ersten Rohrs, im Folgenden als das erste Rohrende bezeichnet, und der Umfangsfuge ausrichtbar ist. Die Umfangsfuge sei als der Spalt oder Nullspalt zwischen den Stirnseiten des ersten Rohrendes und des Rohrendes eines zweiten Rohrs gleichen Querschnitts, im Folgenden das zweite Rohrende genannt, oder als der Rohrstoss definiert, wobei das erste Rohr und das zweite Rohr derart zueinander ausgerichtet sind, dass die Umfangsfuge einen im Wesentlichen konstanten Spaltabstand von höchstens 1 mm, bevorzugt unter 0,3 mm, besonders bevorzugt technischer Nullspalt, aufweist und beide Rohre ohne wesentlichen Versatz zueinander zentriert sind. Die beiden Rohre haben bevorzugt einen kreisförmigen, alternativ jedoch einen ellipsoiden oder sonstigen Querschnitt und sind insbesondere gerade, gebogen oder abgewinkelt ausgeführt. Vorrichtungen zum von der Innen- und/oder Aussenseite erfolgenden Zentrieren von Rohren und zum Einstellen eines definierten Spaltabstands der Umfangsfuge sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausführungsformen bekannt. Die Rohrenden sind insbesondere unter Zuhilfenahme einer bekannten Fasing-Vorrichtung derart bearbeitet, dass die Umfangsfuge die Form einer 1-Naht, einer Y-Naht, V-Naht oder einer Tulpennaht hat. Alternativ sind die Kanten lasergeschnitten. Der Führungsring ist bevorzugt parallel zur Umfangsfuge mit konstantem Abstand zur Aussenfläche oder Innenfläche des ersten Rohrendes ausgerichtet. Das Ausrichten erfolgt beispielsweise über eine Vielzahl entlang des Führungsringumfangs angeordneter Spannschrauben, mittels derer der Abstand des Führungsrings vom der Rohroberfläche exakt einstellbar ist.
  • Der Führungsring dient zum Führen eines auf selbigem angeordneten Orbitalwagens, der orbital entweder entlang dem gesamten Aussen- oder Innenumfang des ersten Rohrendes oder zumindest entlang einem Teilabschnitt des Umfangs verschiebbar geführt ist. Der Orbitalwagen kann motorisch über eine Vorschubeinrichtung entlang dem Führungsring bewegt werden.
  • Auf dem Orbitalwagen ist ein Laserschweisskopf zur Führung und Formung eines Laserstrahls angeordnet. Der Laserschweisskopf ist derart auf die Umfangsfuge ausrichtbar, das mittels eines von dem Laserschweisskopf auf die Umfangsfuge oder auf einen in unmittelbarer Nähe zur Umfangsfuge befindlichen Punkt fokussierten Laserstrahls, gegebenenfalls unter Zufuhr von inerten oder aktiven Prozessgasen oder Gemischen aus diesen, der Werkstoff der beiden Rohrenden innerhalb der im Folgenden als Laserschweisszone bezeichneten thermischen Einflusszone des Laserstahls aufschmelzbar ist und durch Verschieben des Orbitalwagens entlang dem Führungsring, gegebenenfalls unter Zufuhr eines Zusatzwerkstoffs in Form eines Drahts, eine Schweissnaht entlang der Umfangsfuge herstellbar ist. Gegebenenfalls sind Mittel zur Badstützung oder Formierung vorgesehen, insbesondere Kupferbacken auf der Gegenseite oder eine Zufuhrvorrichtung zur wurzelseitigen Zufuhr von Formiergas.
  • Die Erzeugung des Laserstrahls erfolgt erfindungsgemäss über wenigstens eine mobile Hochleistungs-Faserlaserstrahlquelle, die von dem Laserschweisskopf beabstandet - insbesondere auf einem längs zur Rohrachse ausserhalb des Rohrs beweglichen Transportfahrzeug schwingungsgedämpft - angeordnet ist. Der von dem Faserlaser erzeugte Laserstrahl wird über einen Lichtwellenleiter, bevorzugt ein flexibles Glasfaserkabel, von der Hochleistungs-Faserlaserstrahlquelle zum Laserschweisskopf geführt. Es ist möglich, einen Lichtwellenleiter mit einer Länge von 30 m bis über 200 m einzusetzen, so dass das Transportfahrzeug mit der Hochleistungs-Faserlaserstrahlquelle weit beabstandet vom Laserschweisskopf positioniert werden kann.
  • Als Hochleistungs-Faserlaserstrahlquelle im Rahmen der Erfindung sei eine Festkörper-Laserstrahlquelle mit einer vom Einsatzgebiet abhängigen Strahlleistung von über 1 kW, insbesondere über 3 kW, bevorzugt über 5 kW, besonders bevorzugt über 7 kW zu verstehen, deren laseraktives Medium von einer Faser gebildet wird. Die insbesondere aus Yttrium-Aluminium-Granat bestehende Faser ist in der Regel mit Ytterbium oder anderen seltenen Erden dotiert. Die Enden und/oder die Mantelfläche der Glasfaser werden beispielsweise mittels Dioden optisch gepumpt. Die Wellenlänge einer typischen Hochleistungs-Faserlaserstrahlquelle liegt etwa bei 1,07 µm, wobei bei einem Wirkungsgrad von mehr als 20% Strahlleistungen von theoretisch bis über 100 kW verfügbar sind. Somit ist der Wirkungsgrad einer Hochleistungs-Faserlaserstrahlquelle wesentlich höher als der eines Nd:YAG-Lasers oder eines CO2-Lasers. Die maximal erreichbare Strahlleistung liegt derzeit wesentlich höher als die des Nd:YAG-Lasers oder des Diodenlasers. Die Strahlintensität übertrifft die des Diodenlasers, so dass ein Tiefschweissen möglich ist. Im Vergleich zum CO2-Laser, Nd:YAG-Laser und Scheibenlaser ist eine Hochleistungs-Faserlaserstrahlquelle relativ erschütterungsunempfindlich. Ein von einer Hochleistungs-Faserlaserstrahlquelle erzeugter Laserstrahl kann im Gegensatz zum CO2-Laser über ein flexibles Glasfaserkabel über Distanzen bis über 200 Meter geleitet werden. Die Hochleistungs-Faserlaserstrahlquelle ermöglicht sowohl das Erzeugen kontinuierlicher Laserstrahlung im sogenannten cw-Betrieb, als auch die Erzeugung gepulster Laserstrahlung mit Pulsfrequenzen bis über 20 kHz und beliebigen Pulsformen. Insbesondere aufgrund des im Vergleich zum Nd:YAG-Laser ausgezeichneten Wirkungsgrads, der eine relativ geringe Generatorenleistung und ein relativ kleines Kühlsystem erfordert, der hohen verfügbaren Strahlleistung und der hervorragenden Strahlqualität, die im Vergleich zum Diodenlaser ein Tiefschweißen ermöglicht, der Tauglichkeit zur Lichtwellenleiterstrahlführung, der geringen Erschütterungsempfindlichkeit und der im Vergleich zum Nd:YAG-Laser und CO2 Laser geringen Baugröße einer Hochleistungs-Faserlaserstrahlquelle ist ein mobiler und autarker Einsatz auf einem Transportfahrzeug möglich.
  • Erfindungsgemäß ist eine Prozessparametersteuerung realisiert, bei der der Orbitallagererfassungssensor über einen Steuerrechner verbunden ist, sodass Schweißparameter in Abhängigkeit von der orbitalen Lage des Orbitalwagens automatisch anpassbar sind. Schweißparameter sind dabei Laserstrahlungsparameter und Vorschubgeschwindigkeit des Orbitalwagens, bei einer Kombination mit einer Lichtbogenschweißeinrichtung auch MSG-Lichtbogenparameter. Somit ist es möglich, beispielsweise bei Fallnaht oder Steignaht mit unterschiedlichen Schweißparametern zu schweißen.
  • Mittels der erfindungsgemäßen Orbitalschweißvorrichtung ist es realisierbar, wie Versuche gezeigt haben, bei einer momentan kommerziell verfügbaren Strahlleistung von 10 kW, einem Strahlparameterprodukt von 12 mm*mrad und einem Strahldurchmesser im Fokusbereich von ca. 0,3 mm Rohre, die eine Wanddicke von 12 mm oder 16 mm haben, aus X70 Stahl gefertigt sind und eine V-Naht-förmige und durch Laserstrahlschneiden vorbereitete Umfangsfuge mit einem sehr kleinen Öffnungswinkel von nur etwa 1° aufweisen, mit einer Schweißgeschwindigkeit von 2,2 bzw. 1,2 Metern pro Minute zu fügen, wobei die hierbei erzeugte Schweißnaht anforderungsentsprechender Qualität nur eine einzige Schweißlage aufweist. Somit sind Schweißgeschwindigkeiten von unter 3 Minuten zum Fügen zweier typischer Pipelinesegmente mit Nenndurchmesser 1.000 mm im mobilen Einsatz unter Feldbedingungen möglich.
  • Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass mittels nur eines Orbitalumlaufs und bevorzugt eines einzigen Schweißvorgangs binnen kurzer Zeit das Fügen zweier Rohrenden möglich ist. Die beim horizontalen Verlegen von Pipelines unter Feldbedingungen beim MAG-Orbitalschweißen, bisher aus wirtschaftlichen Gründen bestehende Notwendigkeit des Einsatzes einer Vielzahl entlang der Pipeline an mehreren Fügestellen arbeitenden, unterschiedliche Schweisslagen schweissenden Schweissstationen entfällt, da mittels einer einzigen Schweissstation das vollständige Verbinden zweier Rohrsegmente möglich ist. Der Transport einer Vielzahl von Schweissstationen und die damit verbundenen Kosten entfallen. Der Personalaufwand ist wesentlich geringer als bei den bisher bekannten Verfahren. Die Schweissnahtqualität und die Prozesssicherheit übertrifft die der bisher bekannten MAG-Orbitalschweissvorrichtungen. Selbstverständlich ist es möglich, zur weiteren Erhöhung der Fertigungsgeschwindigkeit mehrere Laserschweissköpfe, die an einer Umfangsfuge arbeiten, oder in unterschiedlichen Schweissstationen zum Einsatz kommen, zu verwenden. Die Verwendung einer einzigen Hochleistungs-Faserlaserstrahlquelle für mehrere Laserschweissköpfe oder mehrerer Hochleistungs-Faserlaserstrahlquellen für einen Laserschweisskopf ist möglich. Ebenfalls ist es realisierbar, die erfindungsgemässe Orbitalschweissvorrichtung mit Elementen bereits bekannter Orbitalschweissvorrichtungen, z.B. einer bereits aus dem Stand der Technik bekannte MSG-Orbitalschweissvorrichtungen, zu kombinieren.
  • In einer Weiterbildung der Erfindung ist auf dem Orbitalwagen mittel- oder unmittelbar ein insbesondere relativ zum Orbitalwagen motorisch ausrichtbarer MSG-Lichtbogenschweisskopf angeordnet. Unter einem MSG-Lichtbogenschweisskopf ist allgemein ein Metallschutzgas-Schweisskopf zu verstehen, bei welchem ein Lichtbogen zwischen einer Drahtelektrode, die über einen Drahtvorschub kontinuierlich zugeführt wird, und dem Werkstück brennt und von einem Schutzgasmantel umhüllt wird. Der MSG-Lichtbogenschweisskopf ist auf dem Orbitalwagen entweder unmittelbar oder mittelbar, beispielsweise auf dem Laserschweisskopf, montiert und insbesondere relativ zum Orbitalwagen in mehreren Richtungen verstellbar. Es ist möglich, den MSG-Lichtbogenschweisskopf derart anzuordnen, dass entweder der Laserstahl und der MSG-Lichtbogen in der Laserschweisszone gemeinsam wirken, oder der Laserstahl und der MSG-Lichtbogen in getrennten Prozesszonen wirken.
  • Die erfindungsgemässe Vorrichtung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen schematisch, nicht massstabsgetreu dargestellten konkreten Ausführungsbeispielen rein beispielhaft näher beschrieben, wobei auch auf weitere Vorteile der Erfindung eingegangen wird. Im Einzelnen zeigen:
    • Fig. 1
    eine erste Ausführungsform einer Orbitalschweissvorrichtung mit einem Orbitalwagen, einem Laserschweisskopf zum Verbinden eines ersten Rohrendes und eines zweiten Rohrendes und einem Transportfahrzeug in einer Übersichts-Schrägansicht;
    Fig. 2
    den Orbitalwagen mit dem Laserschweisskopf in einer Detailansicht quer zur Rohrachse;
    Fig. 3
    den Orbitalwagen mit dem Laserschweisskopf, einer Drahtdüse und einer Prozessgasdüse in einer Detailansicht A-A parallel zur Rohrachse;
    Fig. 4
    eine zweite Ausführungsform einer Orbitalschweissvorrichtung mit einem Orbitalwagen, einem Laserschweisskopf, einem MSG- Lichtbogenschweisskopf und einem Transportfahrzeug in einer Übersichts-Schrägansicht; und
    Fig. 5
    den Orbitalwagen mit dem Laserschweisskopf und dem MSG-Lichtbogenschweisskopf in einer Detailansicht parallel zur Rohrachse.
  • Eine erste Ausführungsform der Erfindung zeigen die Figuren 1, 2 und 3 in unterschiedlichen Anschichten und Detaillierungsgraden. Fig. 1 stellt die gesamte Orbitalschweissvorrichtung in einer übersichtsartigen Schrägansicht auf eine Pipelinebaustelle dar. Ein erstes Rohrende 1 und ein zweites Rohrende 2 einer horizontal auf Land zu verlegenden Pipeline 5 sind mittels einer bekannten, nicht dargestellten Innenzentriervorrichtung, mindestens eines Rohrkrans (nicht dargestellt) und Rohrabstützungen 45 derart ausgerichtet und zentriert, dass zwischen dem ersten Rohrende 1 und dem zweiten Rohrende 2 eine Umfangsfuge 3 mit einem definierten Spaltabstand von unter 0,3 mm und ohne Kantenversatz vorhanden ist. Auf dem ersten Rohrende 1 ist parallel zur Umfangsfuge 3 und in einem konstanten Abstand zur Aussenfläche 14 des ersten Rohrendes 1 ein Führungsring 6 in Form eines Spannbandes mit einer Führungsschiene angeordnet. Auf dem Führungsring 6 befindet sich ein Orbitalwagen 7, der rings um das erste Rohrende 1, wie mit dem Pfeil 51 symbolisiert, entlang dem Führungsring 6 motorisch verschiebbar geführt ist. Auf dem Orbitalwagen 7 ist ein Laserschweisskopf 12 montiert, der derart auf die Umfangsfuge 3 ausrichtbar ist, dass durch Richten eines von dem Laserschweisskopf 12 fokussierten Laserstrahls 10 in eine Laserschweisszone 13 und orbitalem motorischem Verschieben des Orbitalwagens 7 eine Schweissnaht 4, hier eine Aussen-Schweissnaht 4, entlang der Umfangsfuge 3 herstellbar ist. Die Höhe der Rohrabstützung 45 ist derart gewählt, dass ein Verschieden des Orbitalwagens 7 um 360° rings um das erste Rohrende möglich ist. Der Laserstrahl 10 wird von einer Hochleistungs-Faserlaserstrahlquelle 9 erzeugt, die von dem Orbitalwagen 7 beabstandet auf einem Transportfahrzeug 35 schwingungsgedämpft untergebracht ist. Der erzeugte Laserstahl 10 wird über einen flexiblen Lichtwellenleiter 11 (siehe Fig. 2), der in einem Schlauchpaket 50, das über einen Kran 46 des Transportfahrzeugs 35 zum Orbitalwagen 7 geführt wird, von der Hochleistungs-Faserlaserstrahlquelle 9 zum Laserschweisskopf 12 geleitet. Das Schlauchpaket 50 wird über den Kran 46 derart nachgeführt, wie von dem Pfeil 52 symbolisiert, dass der Orbitalwagen 7 ungehindert verschoben werden kann. Der Kran 46 kann weiters zur Montage des Führungsrings 6 und des Orbitalwagens und zum Halten einer Abschirmvorrichtung (nicht dargestellt) verwendet werden, welche die Schweissstelle vor der Umgebung und umgekehrt abschirmt, einerseits um das Bedienpersonal vor gefährlichen Reflektionen des Laserstahls zu schützen, andererseits um Zugluft, Feuchtigkeit und Verunreinigungen von der Schweissstelle fernzuhalten. Auf dem Transportfahrzeug ist ausserdem ein Generator 36 zumindest zur Erzeugung der zum Betrieb der Hochleistungs-Faserlaserstrahlquelle 9 benötigten Leistung und ein Kühlsystem 37 zumindest zum Kühlen der Hochleistungs-Faserlaserstrahlquelle 9 angeordnet. Auf weitere Bezugszeichen der Fig. 1 wird im Folgenden in der Beschreibung der anderen Figuren eingegangen. Weiters wird in der Beschreibung der folgenden Figuren auf Bezugszeichen vorangegangener Figuren zurückgegriffen.
  • Fig. 2 zeigt den auf dem Führungsring 6 verschiebbar gelagerten Orbitalwagen 7 aus Fig. 1 in einer vereinfachten Detailansicht quer zur Rohrachse. Auf dem Orbitalwagen 7 ist eine Vorschubeinrichtung 8 angeordnet, die in den Führungsring 6 derart eingreift, dass der Orbitalwagen 7 mit einer definierten Vorschubgeschwindigkeit um das erste Rohrende und die Umfangsfuge 3, die von einem V-formigen Stoss mit sehr kleinem Öffnungswinkel gebildet wird, orbital elektromotorisch bewegt werden kann. Um die orbitale Lage α des Orbitalwagens 7 relativ zu einer Bezugslage erfassen zu können, ist ein Orbitallageerfassungssensor 18 am Orbitalwagen 7 montiert, der beispielsweise als ein elektronischer Winkelencoder ausgeführt ist. Der Laserschweisskopf 12 ist über Verstellmittel 16, mittels welcher der Laserstrahl 10 relativ zur Umfangsfuge 3 durch Verstellen des gesamten Laserschweisskopfs 12 relativ zum Orbitalwagen 7 ausrichtbar sind, am Orbitalwagen 7 montiert. Die beispielsweise servomotorischen Verstellmittel 16 ermöglichen, entsprechend den Pfeilen 53, sowohl ein Verstellen des Laserschweisskopfes 12 senkrechter Richtung zum Rohr, so dass beispielsweise die Fokuslage verstellt werden kann, als auch ein Verstellen parallel zur Rohrachse zum exakten Ausrichten des Laserstrahls 10 auf die Umfangsfuge 3.
  • Selbstverständlich ist es alternativ möglich, die Verstellmittel 16 derart auszugestalten, dass der Laserschweisskopf 12 in weiteren Freiheitsgraden verstellbar ist oder der Laserstrahls 10 ergänzend oder ausschliesslich auf optischem Weg beispielsweise über eine Fokussier- oder Umlenkeinheit des Laserschweisskopfes verstellbar ist. Der in dem Schlauchpaket 50 zum Orbitalwagen 7 geführte Lichtwellenleiter 11 leitet den von der Hochleistungs-Faserlaserstrahlquelle 9 emittierten Laserstrahl 10 zum Laserschweisskopf 12, der den Laserstrahl 10 auf die Umfangsfuge 3 oder auf einen Punkt nahe der Umfangsfuge 3 fokussiert, so dass der Werkstoff des ersten Rohrendes 1 und des zweiten Rohrendes 2 innerhalb einer thermischen Einflusszone des Laserstrahls 10, der Laserschweisszone 13 aufschmilzt und eine Schweissnaht 4 entsteht. Da der Laserschweisskopf 12 einer hohen thermischen Belastung ausgesetzt ist, wird ist Schlauchpaket 50 eine Kühl-Heiz-Kreislaufleitung 47 mit Vor- und Rückfluss untergebracht, die alle zu kühlenden oder heizenden Teile des Laserschweisskopfes 12 oder weitere am Orbitalwagen 7 angeordneten Teile mit Kühl- oder Heizflüssigkeit des auf dem Transportwagen befindlichen Kühlsystems 37 versorgt. Eine Kommunikationsleitung 49 im Schlauchpaket 50 in Form eines Kabels liefert insbesondere Strom an die Vorschubeinheit 8 und ermöglicht die Kommunikation sämtlicher am Orbitalwagen 7 mittel- oder unmittelbar angeordneten Sensoren und Aktoren mit einem Steuerrechner 44, der sich auf dem Transportfahrzeug 35 befindet und den gesamten Schweissprozess steuert und überwacht. Um den Laserschweisskopf 12 vor Spritzern oder anderen Verunreinigungen zu schützen, wird vom Transportfahrzeug 35 gelieferte Druckluft über eine Druckluftleitung 48 im Schlauchpaket 50 zum Laserschweisskopf 12 geleitet, so dass insbesondere eine vor der Fokussieroptik des Laserschweisskopf 12 angeordnete Schutzscheibe mit eine konstanten Druckluftstrom beaufschlagt werden kann.
  • In Fig. 3 wird der Laserschweisskopf 12 in einer Detailansicht A-A gemäss Fig. 2 parallel zur Rohrachse gezeigt. Mittelbar auf dem Orbitalwagen 7 ist am Laserschweisskopf 12 eine Prozessgasdüse 20 zur Zufuhr von Prozessgas in den Bereich der Laserschweisszone 13 montiert. Die Versorgung der Prozessgasdüse 20 erfolgt über einen von dem Orbitalwagen 7 beabstandeten, auf dem Transportfahrzeug 35 befindlichen Prozessgasspeicher 22, der über eine Prozessgasleitung 21, die über das Schlauchpaket 50 zum Orbitalwagen 7 geführt wird, mit der Prozessgasdüse 20 in Verbindung steht. Als Prozessgase eignen sich insbesondere inerte und aktive Gase, wie z.B. bevorzugt Argon, Helium, N2, CO2 oder O2 in geeignetem Mischungsverhältnis. Ebenfalls mittelbar auf dem Orbitalwagen 7, auf der anderen Seite des Laserschweisskopfes 12, ist eine Drahtdüse 23 zur Zufuhr eines Drahts 24 in die Laserschweisszone 13 montiert. Durch die Zufuhr des Drahts 24 und das somit erfolgende Einbringen eines Zusatzwerkstoffs ist es möglich, die Spaltüberbrückbarkeit der Umfangsfuge 3 zu erhöhen. Der Draht 24 wird von einer auf dem Transportfahrzeug 35 untergebrachten Drahtvorschubeinheit 26 über eine Drahtzufuhrleitung 25, die über das Schlauchpaket 50 zum Orbitalwagen 7 gelangt, zugeführt. Zur Erwärmung des Drahts 24 ist unmittelbar vor der Drahtdüse 23 eine Drahterwärmungseinheit 27 angeordnet, die den Draht 24 beispielsweise induktiv erwärmt. Anstelle eines Heissdrahts kann bevorzugt alternativ ein unerwärmter Kaltdraht zugeführt werden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird der Draht 24 schleppend zugeführt. Alternativ ist auch eine stechende oder seitliche Drahtzufuhr realisierbar. Anstelle einer separaten Prozessgasdüse 20 kann die Prozessgaszufuhr koaxial zum Laserstrahl oder über die Drahtdüse 23 erfolgen. Die Prozessgasdüse 20 und die Drahtdüse 23 sind alternativ unmittelbar am Orbitalwagen 7 montiert und relativ zu diesem in mindestens einem Freiheitsgrad ausrichtbar.
  • Eine zweite Ausführungsform einer Orbitalschweissvorrichtung zeigt Fig. 4 in einer Übersichts-Schrägansicht auf die gesamte Vorrichtung und Fig. 5 in einer Detailansicht parallel zur Rohrachse auf den Orbitalwagen. Im Folgenden werden die Figuren 4 und 5 gemeinsam beschrieben, wobei lediglich auf die Unterschiede zur ersten Ausführungsform eingegangen, weshalb hiermit auf die oben bereits erläuterten Bezugszugszeichen verwiesen sei. Anstelle der Zufuhr eines von einer Drahtvorschubeinheit 26 über eine Drahtzufuhrleitung 25 über eine Drahtdüse 23 gelieferten Drahts 24 und eines von einem Prozessgasspeicher 22 über eine Prozessgasleitung 21 zu einer Prozessgasdüse 20 geleiteten Prozessgases kommt ein aus dem Stand der Technik bekannter Metallschutzgas-Lichtbogenschweisskopf 28 zum Einsatz. Der MSG-Lichtbogenschweisskopf 28 ist mittelbar auf dem Orbitalwagen 7 angeordnet, indem er auf dem Laserschweisskopf 12 montiert ist. Der MSG-Lichtbogenschweisskopf 28 ist relativ zum Laserschweisskopf 12 und somit relativ zum Orbitalwagen 7 in mehreren Freiheitsgraden motorisch ausrichtbar, wie mittels der Pfeile 54 symbolisiert. Zur Versorgung des MSG-Lichtbogenschweisskopfs 28 sind auf dem Transportfahrzeug 35 eine frei programmierbare MSG-Stromquelle 32, ein MSG-Prozessgasspeicher 33 und eine MSG-Drahtvorschubeinheit 34 angeordnet, die über eine MSG-Stromleitung 29, eine MSG-Prozessgasleitung 30 und eine MSG-Drahtzufuhrleitung 31 mit dem MSG-Lichtbogenschweisskopf 28 zur MSG-Lichtbogenbildung bzw. zur MSG-Prozessgaszufuhr bzw. zur MSG-Drahtzufuhr in Verbindung stehen. Die Leitungen 28, 29, 30 werden über das Schlauchpaket 50 zum Orbitalwagen 7 geführt. Ausserdem verbindet eine Masseleitung 55 das erste Rohrende 1 und das zweite Rohrende 2 mit der MSG-Stromquelle 32. Der MSG-Lichtbogenschweisskopf 28 ist derart ausgerichtet, dass der Laserstahl 10 und der MSG-Lichtbogen in der Laserschweisszone 13 gemeinsam wirken. Alternativ ist es jedoch möglich, den MSG-Lichtbogenschweisskopf 28 derart auszurichten, dass der Laserstahl 10 und der MSG-Lichtbogen in getrennten Prozesszonen wirken, wobei der Laserstrahl 10 dem MSG-Lichtbogen bevorzugt vorausläuft. Alternativ ist es auch möglich, den Laserstrahl 10 nachlaufend relativ zum MSG-Lichtbogen auszurichten. Durch die Kombination des Laserschweissens mit dem MSG-Lichtbogenschweissen kann die Schweissgeschwindigkeit weiter erhöht, die Prozessstabilität verbessert, über die MSG-Drahtzufuhr ein Zusatzwerkstoffs eingebracht und ein geringerer Temperaturgradient erreicht werden, so dass die Aufhärtungsneigung verringert wird. Weiters wird eine höhere Spaltüberbrückbarkeit erzielt. Die Kombination des Laserschweissens mit dem MSG-Lichtbogenschweissen ist besonders dann vorteilhaft, wenn eine signifikante Erhöhung der Schweissgeschwindigkeit angestrebt wird oder der Einsatz grösserer Mengen von Zusatzwerkstoff aus metallurgischen Gründen, aus Gründen der Spaltfüllung oder auch infolge bestimmter Normvorschriften erforderlich ist.
  • Die Steuerung und Überwachung des gesamten Schweissprozesses erfolgt über den Steuerrechner 44, der über die Kommunikationsleitung 49 mit Sensoren und Aktoren des Orbitalwagens 7, der dort angeordneten Komponenten und mit den auf dem Transportfahrzeug 35 befindlichen Einheiten in Kommunikationsverbindnung steht. Zur Erhöhung der Prozesssicherheit und der Schweissgeschwindigkeit sind in dem Steuerrechner 44 mehrere Steuerung-, Regelungs-, Überwachungs- und Protokollierungsmittel integriert, die im Folgenden beschrieben werden. Diese Mittel sind beispielsweise entweder als verkabelte Schaltung oder als eine entsprechend programmierte Steuerungs-Regelungs-Vorrichtung ausgeführt.
  • Die Steuerrechner 44 weist eine erste Prozessparametersteuerung 19 auf, die derart ausgebildet und über den Steuerrechner 44 mit dem Orbitallageerfassungssensor 18, der Hochleistungs-Faserlaserstrahlquelle 9, der MSG-Stromquelle 32 und der Vorschubeinrichtung 8 verschaltet ist, dass Laserstrahlungsparameter, MSG-Lichtbogenparameter und die Vorschubgeschwindigkeit des Orbitalwagens 7 in Abhängigkeit von der orbitalen Lage α des Orbitalwagens 7 automatisch anpassbar sind. Somit ist es möglich, beispielsweise bei Fallnaht oder Steignaht mit unterschiedlichen Schweissparametern zu schweissen.
  • Fig. 5 zeigt einen auf dem Laserschweisskopf 12 montierten, der bereits gebildeten oder beabsichtigten, durch die Ausrichtung des Laserstrahls 10 definierten Laserschweisszone 13 vorauslaufenden Nahtfolgesensor 15, mittels welchem die Lage der Umfangsfuge 3 relativ zu der beabsichtigten Laserschweisszone 13 erfassbar ist. Der Nahtfolgesensor 15 ist beispielsweise als ein lichtoptischer Sensor ausgeführt, der die Lage der Umfangsfuge 3 über Triangulation detektiert. Ein mit der Lage verknüpftes Signal des Nahtfolgesensors 15 wird dem Steuerrechner 44, der mit den Verstellmitteln 16 verschaltet ist, zugeführt. Der Steuerrechner 44 weist eine Lageregelung 17 auf, die derart ausgebildet und über den Steuerrechner 44 mit dem Nahtfolgesensor 15 und den Verstellmitteln 16 verschaltet ist, dass das Ausrichten des Laserstrahls 10 und insbesondere des MSG-Lichtbogenschweisskopfs 28 in Abhängigkeit von der erfassten Lage der Umfangsfuge 3 automatisch regelbar ist. Somit wird der Laserstrahl 10 automatisch auf die Umfangsfuge 3 ausgerichtet, so dass selbst bei einem nicht exakt parallel zur Umfangsfuge 3 montiertem Führungsring 6 oder einer ungeraden Umfangsfuge 3 eine Fehlausrichtung des Laserstrahls 10 und des MSG-Lichtbogens vermieden wird.
  • Weiters ist ein Prozesssensor 40 an dem Laserschweisskopf 12 derart angeordnet, dass eine elektromagnetische Strahlung, insbesondere eine thermische Strahlung, eine optische Strahlung oder eine Plasmastrahlung aus der Laserschweisszone 13 über den Prozesssensor 40 erfassbar ist. Eine zweite Prozessparametersteuerung 41, die im Steuerrechner 44 integriert ist, ist derart ausgebildet und über den Steuerrechnet 44 mit dem Prozesssensor 40, der Hochleistungs-Faserlaserstrahlquelle 9, der MSG-Stromquelle 32, der Vorschubeinrichtung 8 und den Verstellmitteln 16 verschaltet, dass Laserstrahlungsparameter, MSG-Lichtbogenparameter, die Vorschubgeschwindigkeit des Orbitalwagens 7 und die Ausrichtung des Laserstrahls 10 in Abhängigkeit von der erfassten Strahlung automatisch anpassbar sind.
  • Über einen ebenfalls am Laserschweisskopf 12 montierten, der Laserschweisszone 13 nachlaufenden optischen Nahtqualitätssensor 38, der beispielsweise als lichtoptischer Sensor ausgeführt ist, sind optischen Aufnahmen der erzeugten Schweissnaht 4 herstellbar. Auf dem Steuerungsrechner 44 sind Protokollierungsmittel 39 vorgesehen, die über den Steuerrechner 44 mit dem Nahtqualitätssensor 38 zum Speichern und optischen Wiedergeben der Aufnahmen der erzeugten Schweissnaht 4 verschaltet sind, so dass nach Durchführung des Schweissvorgangs eine erneute Wiedergabe des aufgenommenen Schweissvorgangs möglich ist. Dies ist insbesondere zur Ermittlung allfälliger Fehler in der Schweissnaht 4 vorteilhaft, da bei zusätzlichem Erfassen und Aufzeichnen der orbitalen Lage α ein rasches Auffinden der Fehlerstelle möglich ist.
  • In einer Weiterbildung sind ausserdem Bildverarbeitungsmittel 42 im Steuerrechner 44 integriert, die derart ausgebildet und über den Steuerrechner 44 mit den Protokollierungsmitteln 39 verschaltet sind, dass die Aufnahmen der erzeugten Schweissnaht 4 elektronisch bewertbar sind und ein Auswertungssignal, das mit der Qualität der Schweissnaht 4 verknüpft ist, ausgebbar ist. Im Falle eines Fehlers in der Schweissnaht 4 ist somit die Ausgabe oder Aufzeichnung einer Fehlermeldung möglich. Gegebenfalls wird der Schweissprozess nach Ausgabe der Fehlermeldung angehalten und ein Warnsignal ausgegeben, um ein schnelles Beheben des Fehlers zu ermöglichen und Stillstandzeiten gering zu halten.
  • Eine dritte, ebenfalls in dem Steuerrechner 44 integrierte Prozessparametersteuerung 43 ist derart ausgebildet und über den Steuerrechner 44 mit den Bildverarbeitungsmitteln 42, der Hochleistungs-Faserlaserstrahlquelle 9, der MSG-Stromquelle 32, der Vorschubeinrichtung 8 und den Verstellmitteln 16 verschaltet ist, dass Laserstrahlungsparameter, MSG-Lichtbogenparameter, die Vorschubgeschwindigkeit des Orbitalwagens 7 und die Ausrichtung des Laserstrahls 10 in Abhängigkeit von dem Auswertungssignal automatisch anpassbar sind. Einer nicht ausreichenden Qualität der Schweissnaht 4 oder Schweissnahtfehlern kann mittels dieser Steuerung automatisch durch Anpassung von Prozessparametern entgegengewirkt werden.
  • Alternativ ist er möglich, anstelle aller drei Prozessparametersteuerungen 19, 41, 43 nur eine oder zwei beliebige der drei Prozessparametersteuerungen 19, 41, 43 einzusetzen, da selbige voneinander unabhängig sind.
  • Der Einsatz weiterer Sensoren und Steuerungen zur Erhöhung der Prozesssicherheit ist selbstverständlich möglich. Die oben beschriebenen Anordnungsvarianten stellen lediglich eine möglich, nicht beschränkende Ausführungsform dar. So können die beschriebenen Sensoren beispielsweise anstelle am Laserschweisskopf 12 mittelbar oder unmittelbar auch an anderen Elementen des Orbitalwagens 7 angeordnet sein. Anstelle eines Steuerrechners 44 ist der Einsatz mehrerer unabhängiger Steuerungs- oder Regelungseinheiten, die sich beispielsweise direkt am Orbitalwagen 7 befinden, möglich.

Claims (17)

  1. Orbitalschweißvorrichtung für den mobilen Einsatz zum Verbinden eines ersten Rohrendes (1) und eines zweiten Rohrendes (2) entlang einer Umfangsfuge (3) mittels mindestens einer Schweißnaht (4), insbesondere zur Herstellung einer auf Land zu verlegenden Pipeline (5), mit wenigstens
    - einem zu dem erstens Rohrende. (1) und der Umfangsfuge (3) ausrichtbaren Führungsring (6),
    - einem zumindest entlang einem Teilabschnitt des Führungsrings (6) verschiebbar geführten Orbitalwagen (7),
    - einer Vorschubeinrichtung (8), mittels welcher der Orbitalwagen (7) entlang dem Führungsring (6) motorisch verschiebbar ist,
    - einem auf dem Orbitalwagen (7) angeordneten Schweißkopf, der als Laserschweißkopf (12) zum Richten eines Laserstrahls (10) in eine Laserschweißzone (13) zur Erzeugung der Schweißnaht (4), wobei durch Verschieben des Orbitalwagens (7) die Schweißnaht (4) zumindest entlang einem Teilabschnitt der Umfangsfuge (3) herstellbar ist,
    - einem von dem Orbitalwagen (7) beabstandeten Schweißaggregat das über die Verbindungsleitung mit dem Laserschweißkopf (12) in Verbindung steht und mittel- oder unmittelbar die zur Herstellung der Schweißnaht (4) erforderliche Leistung zur Verfügung stellt und mit
    - einer Verbindungsleitung, die als Lichtwellenleiter (11) zum Leiten des Laserstrahls (10) zum Orbitalwagen (7) ausgebildet ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermöglichung der Herstellung der Schweißverbindung mittels nur eines einzigen Orbitalumlaufs das Schweißaggregat als eine Hochleistungs-Faserlaserstrahlquelle (9), mittels welcher der laserstrahl erzengbar ist ausgebildet ist, dass die Orbitalschweiβvorrichtung einen Orbitallageerfassungssenor (18) zum Erfasen der orbitelen lage (α) des Orbitalwagens (7) und eine erste Prozessparametersteuerung (19) aufweist, und dass die erste Prozessparametersteuerung (19) derart ausgebildet und mit dem Orbitallageerfassungssensor (18) und zumindest mit der Hochleistungs-Faserlaserstrahlquelle (9) verschaltet ist, dass Laseratrahlungsparameter Abhängigkeit von der orbitalen Lage (α) des Orbitalwagens (7) automatisch anpassbar sind.
  2. Orbitalschweißvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
    - der Führungsring (6) auf der Außenfläche (14) des ersten Rohrendes (1) anordbar ausgestaltet und
    - die erzeugbare Schweißnaht als Außen-Schweißnaht (4) ausgebildet ist.
  3. Orbitalschweißvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch wenigstens
    - eine auf dem Orbitalwagen (7) mittel- oder unmittelbar angeordnete Prozessgasdüse (20) zur Zufuhr von Prozessgas in den Bereich der Laserschweißzone (13),
    - eine Prozessgasleitung (21) und
    - einen von dem Orbitalwagen (7) beabstandeten Prozessgasspeicher (22), der über die Prozessgasleitung (21) mit der Prozessgasdüse (20) zur Prozessgaszufuhr in Verbindung steht.
  4. Orbitalschweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 1 gekennzeichnet durch wenigstens
    - eine auf dem Orbitalwagen (7) mittel- oder unmittelbar angeordnete Drahtdüse (23) zur Zufuhr eines Drahts (24) in die Laserschweißzone (13),
    - eine Drahtzufuhrleitung (25) und
    - eine von dem Orbitalwagen (7) beabstandete Drahtvorschubeinheit (26), die über die Drahtzufuhrleitung (25) mit der Drahtdüse (23) zur Drahtzufuhr in Verbindung steht.
  5. Orbitalschweißvorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine der Drahtdüse (23) vorangeschaltete Drahterwärmungseinheit (27) zur Erwärmung des Drahts (24).
  6. Orbitalschweißvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch mindestens
    - einen auf dem Orbitalwagen (7) mittel- oder unmittelbar angeordneten MSG-Lichtbogenschweißkopf (28),
    - eine MSG-Stromleitung (29),
    - eine MSG-Prozessgasleitung (30),
    - eine MSG-Drahtzufuhrleitung (31),
    - eine von dem Orbitalwagen (7) beabstandete MSG-Stromquelle (32), die über die MSG-Stromleitung (29) mit dem MSG-Lichtbogenschweißkopf (28) zur MSG-Lichtbogenbildung in Verbindung steht,
    - eine von dem Orbitalwagen (7) beabstandete MSG-Drahtvorschubeinheit (34), die über die MSG-Drahtzufuhrleitung (31) mit dem MSG-Lichtbogenschweißkopf (28) zur MSG-Drahtzufuhr in Verbindung steht.
  7. Orbitalschweißvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der MSG-Lichtbogenschweißkopf (28) derart auf dem Orbitalwagen (7) mittel oder unmittelbar angeordnet ist, dass der Laserstrahl (10) und der MSG-Lichtbogen in der Laserschweißzone (13) gemeinsam wirken.
  8. Orbitalschweißvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der MSG-Lichtbogenschweißkopf (28) derart auf dem Orbitalwagen (7) mittel- oder unmittelbar angeordnet ist, dass der Laserstrahl (10) und der MSG-Lichtbogen in getrennten Prozesszonen wirken.
  9. Orbitalschweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Orbltallageerfassungssensor (18) zumindest die Vorschubgeschwindigkeit des Orbitalwagens (7) in Abhängigkeit von der orbitalen Lage (α) des Orbitalwagens (7) automatisch anpassbar ist.
  10. Orbitalschweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch
    - einen auf dem Orbitalwagen (7) mittel- oder unmittelbar derart angeordneten Nahtfolgesensor (15), mit dem die Lage der Umfangsfuge (3) relativ zu der beabsichtigten Laserschweißzone (13) erfassbar ist,
    - Verstellmittel (16), mittels welcher der Laserstrahl (10) relativ zur Umfangsfuge (3) ausrichtbar sind, und
    - eine Lageregelung (17), die erart ausgebildet und mit dem Nahtfolgesensor (15) und den Verstellmitteln (16) verschaltet ist, dass das Ausrichten des Laserstrahls (10), in Abhängigkeit von der erfassten Lage der Umfangsfuge (3) automatisch regelbar ist.
  11. Orbitalschweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch
    - einen auf dem Orbitalwagen (7) mittel- oder unmittelbar - insbesondere an dem Laserschweißkopf (12) - derart angeordneten Prozesssensor (40), dass eine elektromagnetische Strahlung - insbesondere eine thermische Strahlung, eine optische Strahlung oder eine Plasmastrahlung- aus der Laserschweißzone (13) erfassbar ist, und
    - eine zweite Prozessparametersteuerung (41), die derart ausgebindet und mit dem Prozesssensor (40) und zumindest der Hochleistungs-Faserlaserstrahlquelle (9) verschaltet ist, das Laserstrahlungsparameter in Abhängigkeit von der erfassten Strahlung automatisch anpassbar sind.
  12. Orbitalschweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch
    - einen auf dem Orbitalwagen (7) mittel- oder unmittelbar angeordneten, der Laserschweißzone (13) nachlaufenden optischen Nahtqualitätssensor (38) zum Herstellen von optischen Aufnahmen der erzeugten Schweißnaht (4) und
    - Protokollierungsmittel (39), die mit dem Nahtqualitätssensor (38) zum Speichern und optischen Wiegergeben der Aufnahme der erzeugten Schweißnaht (4) verschaltet sind.
  13. Orbitalschweißvorrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch Bildverarbeitungsmittel (42), die derart ausgebildet und mit den Protokollierungsmitteln (39) verschaltet sind, dass die Aufnahmen der erzeugten Schweißnaht (4) elektronisch bewertbar sind und ein Auswertungssignal, das mit der Qualität der Schweißnaht (4) verknüpft ist, ausgebbar ist.
  14. Orbitalschweißvorrichtung nach Anspruch 13, gekennzeichnet, durch eine dritte Prozessparametersteuerung (43), die derart ausgebildet und zumindest mit den Bildverarbeitungsmitteln (42) und der Hochleistungs-Faserlaserstrahlquelle (9) verschaltet ist, dass Laserstrahlungsparameter in Abhängigkeit von dem Auswertungssignal automatisch anpassbar sind.
  15. Orbitalschweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass
    - eine Hochleistungs-Faserlaserstrahiquelle (9),
    - ein Generator (36) zumindest zur Erzeugung der zum Betrieb der Hochleistungs-Faserlaserstrahlquelle (9) benötigten Leistung und
    - ein zumindest der Hochleistungs-Faserlaserstrahlquelle (9) zugeordnetes Kühlsystem (37),
    auf einen Transportfahrzeug (35) angeordnet sind.
  16. Orbitalschweiβvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,
    dass zusätzlich
    - ein Prozessgasspeicher (22) und
    - eine Drahtvorschubeinheit (26)
    auf dem Transportfahrzeug (35) angeordnet sind.
  17. Orbitalschweiβvorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich
    - eine MSG-Stromquelle (32),
    - ein MSG-Prozessgasspeicher (33) und
    - eine MSG-Drahtvorschubeinheit (34)
    auf dem Transportfahrzeug (35) angeordnet sind.
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